17.06.2013 Materiały piezoelektryczne, piezoelektryki - materiały inteligentne
Strona główna
MATERIAA
Y PIEZOELEKTRYCZNE, PIEZOELEKTRYKI
Fotochromowe
Termochromowe
(PIEZOELECTRIC MATERIALS)
Elektrochromowe
Elektroluminescencyjne
Wstęp
Fluoroscencyjne
Fotoluminescencyjne
Zjawisko piezoelektryczności zostało odkryte w 1880 roku przez Pierre'a i Jacques'a Curie. Zauważyli oni, że kwarc zmienia
Katodoluminescencyjne
swoje wymiary pod wpływem działania pola elektrycznego na odwrót, generuje ładunek elektryczny na skutek deformacji
Termoluminescencyjne
mechanicznej. Po raz pierwszy zjawisko to zostało wykorzystane praktycznie w 1920 roku przez Langevina, który wykonał
Radioluminescencyjne
kwarcowy nadajnik i odbiornik dz
więków podwodnych - pierwszy sonar. Pierwsze piezoelektryczne materiały opracowano w
Polimery przewodzące
latach czterdziestych XX wieku (tytanian baru) i pięćdziesiątych (cyrkonian-tytanian ołowiu - PZT). Rok 1965 to początek
Elastomery dielektryczne
produkcji pierwszych urządzeń wykorzystujących właściwości ceramiki piezoelektrycznej.
Magnetostrykcyjne
Piezoelektryczne
Żele polimerowe
Materiały z pamięcią kształtu
Termoelektryczne
Magnetoreologiczne
Materiały piezoelektryczne
Elektroreologiczne
Samogrupujące się
Samonaprawiające się
Wyszukiwarka
Castorama
Kontakt
Castorama.pl
Katalog produktów na Wiosnę. Niskie
MASTER - Gotowe
Ceny. Kupuj w Castoramie!
Masy
www.mastermas.pl
Idealnie gładkie i białe
ściany. A
atwość obróbki
i doskonałe efekty!
Materiały piezoelektryczne przetwarzają energię elektryczną w mechaniczną i odwrotnie. Odkształcenia sprężyste
piezoelektryka wywołuje w nim powstanie wewnętrznego pola elektrycznego (efekt piezoelektryczny prosty) lub
umieszczenie materiału w polu elektrycznym prowadzi do zmiany jego wymiarów (efekt piezoelektryczny odwrotny). Zjawisko
piezoelektryczne posiada inny mechanizm niż zjawisko elektrostrykcji, które charakteryzują znacznie mniejsze
odkształcenia i występuje ono we wszystkich materiałach.
Zjawisko piezoelektryczności
Wskaz
niki właściwości
Materiały piezoelektryczne charakteryzuje się opisując ich właściwości sprężyste, piezoelektryczne i dielektryczne.
Podstawowa zależność wiąże polaryzację (Pi) z naprężeniem , gdzie moduł piezoelektryczny (piezoelectric
strain constant) dijk wyrażony w C/N lub w m/V (w zależności od tego, czy jest to prosty, czy też odwrotny efekt
piezoelektryczny), jest tensorem trzeciego rzędu. Często stosowana jest analogiczna zależność opisująca związek
pomiędzy polem elektrycznym (Ei) i naprężeniem: , gdzie moduł piezoelektryczny (piezoelectric volatge modul)
jest wyrażony w Vm/N. Właściwości użytkowe materiału najlepiej charakteryzują, wyznaczane przez większość badaczy,
składowe d33, d13, g33 i g13. Innym ważnym wskaz
nikiem właściwości jest współczynnik sprzężenia elektromechanicznego
elektromechanicznego. Jest on zdefiniowany jako pierwiastek kwadratowy stosunku energii uzyskanej do włożonej w efekcie
piezoelektrycznym. Materiały piezoelektryczne charakteryzowane są również przez tzw. kąt stratności . Ferroelektryczne
materiały piezoelektryczne bada się określając parametry histerezy ferroelektrycznej: polaryzację nasycania, polaryzację
www.matint.pl/materialy-piezoelektryczne.php 1/6
17.06.2013 Materiały piezoelektryczne, piezoelektryki - materiały inteligentne
materiały piezoelektryczne bada się określając parametry histerezy ferroelektrycznej: polaryzację nasycania, polaryzację
remanencji i koercję oraz temperaturę Curie. Inne najczęściej przedstawione właściwości to względna stała dielektryczna ,
oraz stała sprężystości lub stała podatności sprężystej. Materiały piezoelektryczne charakteryzują się również przez
określenie zależności odkształcenie-pole elektryczne.
Ceramiczne materiały piezoelektryczne
Istotą zjawiska piezoelektrycznego jest powstanie pola elektrycznego na skutek przemieszczenia ładunku w jonowej sieć
krystalicznej materiału, spowodowane jego odkształceniem. Zjawisko piezoelektryczne jest uwarunkowane rodzajem sieci
krystalograficznej. Występuje jedynie w kryształach należących do 20 z 32 grup punktowych. Jako ceramika
piezoelektryczna stosowane są zarówno materiały ferroelektryczne, jak i nieferroelektryczne. Materiały nieferroelektryczne
posiadają mniejsze właściwości piezoelektryczne, a wśród nich najczęściej wykorzystywany jest kwarc (SiO2) o niskich, ale
bardzo stabilnych właściwościach. Wszystkie materiały, w których polaryzacja następuje spontanicznie (ferroelektryczne),
wykazują właściwości piezoelektryczne. Piezoelektryczne materiały ceramiczne o największym znaczeniu posiadają
strukturę perowskitu o ogólnym wzorze ABO3. Miejsca A zajmują duże jony: Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba, Pd, natomiast miejsca B
jony małe: Ti, Sn, Zr, Nb, Ta lub W. Najczęściej wykorzystuje się materiały domieszkowane innymi pierwiastkami, co
zmienia ich właściwości. W przypadku cyrkonianu - tytanianu ołowiu (PZT) dodatki zastępujące kation z pozycji A obniżają
właściwości piezoelektryczne, natomiast dodatki zastępujące kation z pozycji B zwiększają właściwości piezoelektryczne i
stałą dielektryczną. Zwiększają również kąt stratności.
Ceramiczne materiały piezoelektryczne o największym znaczeniu to:
- tytanian baru (BaTiO3) - jest materiałem ferromagnetycznym o temperaturze Curie wynoszącej 120 -130 stopni Celsjusza.
Moduł piezoelektryczny d33 wynosi , a współczynnik sprzężenia elektromechanicznego około 0,5.
- tytanian ołowiu (PbTiO3) - posiada właściwości ferroelektryczne w temperaturach niższych od Tc = 490 stopni Celsjusza.
Przemiana ferroelektryczna wywołuje odkształcenia prowadzące do pękania materiału. W celu zmniejszenia tego zjawiska
stosuje się domieszkowanie Ca, Sr, Ba, Sn i W. Moduł piezoelektryczny materiału PbTiO3 domieszkowanego Ca wynosi
.
- cyrkonian - tytanian ołowiu (PZT) jest roztworem stałym PbZrO3 i PbTiO3. Domieszkowania ceramika PZT znana jest
jako twarda (domieszkowana K+ i Na+ w pozycji A lub Fe3+, Al3+, Mn3+ w pozycji B) lub miękka (La3+ w pozycji A lub
Nb5+ lub Sn5+ w pozycji B).
- nioban ołowiu i magnezu - PMN (PbMg1/3Nb2/3O3)
Ceramiczne materiały piezoelektryczne wytwarzane są najczęściej jako polikryształy. Wielkość ziarna ma duży wpływ na
moduł piezoelektryczny, stałą dielektryczną i kąt stratności. Wadą materiałów polikrystalicznych jest brak możliwości
osiągnięcia dużego stopnia polaryzacji ich struktury. Wiele prac poświęcanych jest obecnie piezoelektrycznym
monokryształom. Ferroelektryczne kryształy LiNbO3 i LiTiO3 o wysokich temperaturach Curie (1210 i 660 stopni Celsjusza)
są wykorzystywane do wzbudzania powierzchownych fal akustycznych. Monokryształy z układu Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3
osiągają wartości modułu piezoelektrycznego
przy współczynniku sprzężenia elektromechanicznego
k33=0,94. Ich odkształcenie w polu elektrycznym dochodzi do 1,7%. Otrzymywanie materiałów piezoelektrycznych w
postaci monokryształów jest obecnie jednym z głównych kierunków rozwoju tej grupy materiałów. Podejmowano również
próby wytwarzania lekkich ceramicznych materiałów piezoelektrycznych piezoelektrycznych w postaci aerożelu. Dużej
kruchości tych materiałów zapobiega się przez tworzenie kompozytów polimerowych.
Wytwarzenie ceramicznych materiałów piezoelektrycznych
Ceramiczne materiały piezoelektryczne wytwarzane są najczęściej metodami typowymi dla ceramiki. Materiałem
wyjściowym są przeważnie proste tlenki metali. Proszki w odpowiednich proporcjach miesza się przez mielenie i ewentualnie
frakcjonuje w celu ograniczenia wielkości cząstek. Następnie materiał poddawany jest procesowi kalcynacji, w którym
powstaje odpowiedni skład fazowy. Kolejny etap to mielenie prowadzone na mokro lub sucho. Do proszku dodawane są
substancje ułatwiające prasowanie (np. wodny roztwór polialkoholu winylowego). Poza prasowaniem stosowane są też inne
metody nadawania kształtu: wyciskanie lub odlewanie. Ważnym etapem jest spiekanie. Zasadniczy proces spiekania, w
którym powstaje odpowiedni skład fazowy. Kolejny etap to mielenie prowadzone na mokro lub na sucho. Do proszku
dodawane są substancje ułatwiające prasowanie (np. wodny roztwóru polialkoholu winylowego). Poza prasowaniem
stosowane są też inne metody nadawania kształtu: wyciskanie lub odlewanie. Ważnym etapem jest spiekanie. Zasadniczy
proces spiekania, w którym następuje zagęszczanie, prowadzi się w temperaturach 1200-1300 stopni Celsjusza. Jest on
poprzedzony wypaleniem substancji wiążącej. W celu otrzymania materiału drobnoziarnistego wykorzystuje się często
prasownie na gorąco. W czasie spiekania ceramiki zawierającej Pb mogą pojawić się ubytki PbO, który intensywnie paruje w
temperaturach przekraczających 800 stopni Celsjusza. Stosowane są zatem atmosfery zawierające PbO. Ubytek PbO
następujący w wyniku spiekania sięga 2-3%. Odstępstwa od założonego składu, będące wynikiem niekontrolowanych
zjawisk w procesie wytwarzania, powodują, że materiały z jednej partii mogą różnić się znacznie właściwościami: różnica
właściwości mechanicznych dochodzi nawet do 5%, piezoelektrycznych do 10%, a dielektrycznych do 20%. Trudność
otrzymania pożądanego składu chemicznego oraz niejednorodność otrzymanego materiału sa największymi wadami
tradycyjnych metod otrzymywania ceramiki piezoelektrycznej. Po spiekaniu prowadzi się obróbkę mechaniczną i nanosi, np.
przez napylanie, warstwy metaliczne stanowiące elektrody. Ostatnim etapem procesu technologicznego jest polaryzacja
materiału (ukierunkowanie momentów elektrycznych). Prowadzi się ją w temperaturze pokojowej lub w temperaturach
podwyższonych (100-150 stopni Celsjusza ) w stałym polu elektrycznym o napięciu rzędu 2,5-4,5 MV/m w czasie 10-120
minut. Proces ten nigdy nie pozwala na ukierunkowanie idealne.
Piezoelektryczne włókna ceramiczne otrzymuje się przez wyciskanie proszków z wiążącym materiałem polimerowym lub
materiałem ceramicznym w postaci zolu. Znany jest proces wytwarzania polikrystalicznych włókien Pb(Zr,Ti)O3 o średnicy
250 mikrometrów i wielkości ziarna 2-6 mikrometrów.
www.matint.pl/materialy-piezoelektryczne.php 2/6
17.06.2013 Materiały piezoelektryczne, piezoelektryki - materiały inteligentne
250 mikrometrów i wielkości ziarna 2-6 mikrometrów.
Alternatywnym procesem otrzymywania ceramicznych materiałów piezoelektrycznych jest metoda zol-żel. Związki
chemiczne zawierające pierwiastki składowe rozpuszcza się w rozpuszczalniku organicznym. Zachodzący proces hydrolizy
prowadzi do powstania żelu. Otrzymany żel po wysuszeniu i rozdrobnieniu poddaje się procesowi kalcynacji. Proszek po
kalcynacji podlega dalszemu procesowi analogicznie do proszku otrzymanego metodą tradycyjną. Metoda zol-żel pozwala
na uzyskanie materiałów o większej jednorodności i lepiej kontrolowanym składzie niż tradycyjna metoda wytwarzania
ceramiki.
Interesującą modyfikacją wytwarzania ceramiki piezoelektrycznej jest stosowanie spiekania mikrofalowego. Szybkość
nagrzewania zależy w tej metodzie od absorpcji mikrofal przez materiał. Zdolność ta może być zmieniona przez dodatek
niewielkiej ilości grafitu. Stosując spiekanie mikrofalowe ceramiki PZT, otrzymanej metodą zol-żel, można wytworzyć
materiał o gęstości 98% (przy spiekaniu tradycyjnym 95%), o większej twardości 1400 MPa (980 MPa), mniejszym ziarnie 2
mikrometrów (4 mikrometry ) i większym module piezoelektrycznym . Spiekanie mikrofalowe pozwala na
stosowanie niższych temperatur i krótszych czasów procesu.
Kompozyty piezoelektryczne
Ceramika piezoelektryczna jest materiałem kruchym, co ogranicza możliwości zastosowania. Inne ograniczenie wynika z
dużej gęstości tych materiałów. Dotyczy ono zastosowań związanych z absorpcją i emisją fal dz
więkowych. Duża gęstość
wywołuje dużą impedancję akustyczną pomiędzy przetwornikiem a środowiskiem rozchodzenia się fali. Wymienione cechy
materiału można znacząco poprawić wytwarzając kompozyty ceramika-polimer.
Właściwości kompozytów piezoelektrycznych zależą od właściwości komponentów i ich wzajemnego rozmieszczenia w
przestrzeni. Często wytwarzany jest kompozyt, w którym cząstki ceramiczne rozmieszczone są w polimerowej osnowie.
Struktura taka jest łatwa do uzyskania przy niewielkiej ilości polimeru, jednak powstają problemy z prawidłową polimeryzacją
kompozytu. Ciekawe są również właściwości kompozytu, w którym ceramika i polimer tworzą dwa ciągłe, przenikające się
szkielety. Wiele prac poświęca się kompozytom, w którym równoległe włókna ceramiczne są rozmieszczone w kierunku
polaryzacji w polimerowej osnowie.
Pewne zastosowania (aktuatory reagujące na przyłożone napięcie efektem zginania) wymagają materiałów o właściwościach
zmiennych na przekroju. Stosuje się najczęściej materiały warstwowe, w tym układy ceramika-metal i ceramika-kompozyt
polimerowy. Dużym problemem przy obciążeniach cyklicznie zmiennych jest zniszczenie struktur wielowarstwowych przez
rozwarstwienie (delaminację). Rozwiązaniem jest stosowanie ceramicznych materiałów piezoelektrycznych
piezoelektrycznych gradientem składu i struktury. Istnieją aktuatory, w których efekt zginania uzyskano przez połączenie
kilku warstw ceramiki piezoelektrycznej o różnych właściwościach. Różne wydłużenie poszczególnych warstw w polu
elektrycznym daje silny efekt zginania przy jednoczesnym zmniejszeniu nieciągłości rozkładu naprężeń na przekroju, jakie
występują w przypadku warstw znacznie różniących się morfologicznie.
Ważnym kierunkiem rozwoju piezoelektrycznych kompozytów jest łączenie komponentu piezoelektrycznego z innymi
materiałami inteligentnymi, np. z materiałami magnetostrykcyjnymi lub z materiałami z pamięcią kształtu i innymi. Znany jest
przykład struktury złożonej z materiału piezoelektrycznego (PZT) oraz magnetostrykcyjnego (stop FeCoSiB), w której
uzyskano możliwość zmian w szerokim zakresie przenikalności magnetycznej w zależności od przyłożonego napięcia (efekt
magnetoelektryczny).
Zastosowania ceramicznych materiałów piezoelektrycznych
Materiały piezoelektryczne znajdują zastosowanie w wielu urządzeniach. Zjawisko zamiany energii, jakie dają materiały
piezoelektryczne, pozwala na uzyskanie za pomocą odpowiednich urządzeń pewnych użytecznych efektów: energia
elektryczna przetwarzana jest na działanie mechaniczne (wydłużenie, zginanie, skręcanie, drgania) - aktuatory lub
oddziaływanie mechaniczne jest rejestrowane przez powstanie efektu elektrycznego - sensory. Najczęściej wymieniane
obszary zastosowań materiałów piezoelektrycznych to automatyzacja, mikromanipulacja, techniki pomiarowe (np.
nieniszczące badania wad w materiałach) i medyczne (np. diagnostyczne techniki ultradz
więkowe). Szybko rozwijającą się
dziedziną zastosowań materiałów piezoelektrycznych są systemy monitorowania stanu materiałów i konstrukcji.
Typowe zastosowania ceramiki piezoelektrycznej
Wykorzystane zjawisko Zakres zastosowań
Efekt piezoelektryczny prosty Odbiorniki dz
więku, mikrofony, hydrofony, generatory energii elektrycznej,
generatory iskry, sensory (ciśnienia akustycznego, drgań)
Efekt piezoelektryczny odwrotny Nadajniki dz
więku, silniki piezoelektryczne, piezoelektryczne transformatory,
serwomechanizmy, aktuatory
Rezonans piezoelektryczny Rezonansowe stabilizatory częstotliwości, rezonansowe sensory ciśnienia, wilgoci
i temperatury, filtry piezoelektryczne
Elektrostrykcja Filtry piezoelektryczne, wzmacniacze
Rozwój materiałów piezoelektrycznych jest obecnie stymulowany przede wszystkim przez zapotrzebowanie na nowe
aktuatory - elementy o ogromnym znaczeniu dla rozwoju zaawansowanych urządzeń mechanicznych. Aktuatory w
zależności od konstrukcji dzielą się na kilka typów:
- aktuatory "bimorph" składają się z dwóch warstw ceramiki piezoelektrycznej polaryzowanej w przeciwnych kierunkach,
- aktuatory "unimorph" - warstwa ceramiki połączona jest z warstwą metalu
- aktuatory typu "raibow", w których zmianę właściwości warstwy wierzchniej uzyskuje się przez chemiczną redukcję
powierzchni piezoelektrycznego materiału ceramicznego. Dzięki temu uzyskuje się warstwy zintegrowane chemicznie o
dużej wytrzymałości powierzchni rozdzielającej,
- aktuatory typu "FG" złożone z warstw ceramicznych o różnych właściwościach,
- aktuatory "thunder" złożone są z warstwy ceramiki PZT z metalicznymi okładkami oddzielonymi od ceramiki warstwą
adhezyjną,
- aktuatory "LIPCA", w których na jednaj powierzchni elementu ceramicznego (PZT) wytarza się kompozyt węglowo-
epoksydowy, a na drugiej szklano-epoksydowy.
Pomimo że aktuatory stanowią konstrukcje, to jednak zagadnienia materiałowe, takie jak dobór materiałów i sposobów ich
łączenia, mają dla tych zagadnień pierwszorzędne znaczenie.
www.matint.pl/materialy-piezoelektryczne.php 3/6
17.06.2013 Materiały piezoelektryczne, piezoelektryki - materiały inteligentne
Aktuatory piezoelektryczne
Kierunki rozwoju ceramicznych materiałów piezoelektrycznych
Piezoelektryczne materiały ceramiczne są podstawową podgrupą materiałów inteligentnych.
Obecnie najszerzej stosowana jest ceramika piezoelektryczna zawierająca związki ołowiu (do 70%). Pierwiastek ten jest
szkodliwy dla zdrowa i środowiska. Podstawowym kierunkiem poszukiwania nowych materiałów jest więc otrzymanie
bezołowiowej ceramiki piezoelektrycznej o właściwościach porównywalnych z PZT. Zakres stosowania ceramiki
piezoelektrycznej mógłby zostać rozszerzony przez opracowanie materiałów zdolnych do pracy w ekstremalnych warunkach:
warunkach wysokich temperaturach, przy wysokich ciśnieniach oraz w agresywnych chemicznie środowiskach.
Za kierunek badań o największym znaczeniu można uznać prace nad otrzymywaniem i badaniami właściwości
monokryształów piezoelektrycznych. Materiały takie umożliwiłyby miniaturyzację i integrację różnych urządzeń
wykorzystujących te materiały.
Ze względu na konstrukcję podstawowych urządzeń wykorzystujących piezoelektryczne materiały ceramiczne ważne są
badania materiałów warstwowych, materiałów z gradientem struktury i kompozytów. Duże nadzieje można wiązać z
kompozytami łączącymi właściwości różnych materiałów inteligentnych (piezoceramicznych z magnetostrykcyjnymi czy
stopami z pamięcią kształtu).
Polimery piezoelektryczne
W polimerach, podobnie jak w materiałach ceramicznych, występuje efekt piezoelektryczny. Polimery piezoelektryczne
coraz częściej zastępują ceramiczne materiały piezoelektryczne. Światowa produkcja czujników z piezoelektrycznych
polimerów rozwija się obecnie najszybciej porównaniu do produkcji czujników z innych materiałów piezoelektrycznych. Na
rynek polski zaczynają wchodzić zagraniczni producenci piezoelektrycznych o polimerów urządzeń na nich opartych.
Amerykańska firma Measurement Specialities Inc. dostarcza sensory wykorzystujące polimery piezoelektryczne, głównie
PVDF i jego kopolimery.
Sposobem na minimalizowanie niekorzystnych właściwości ceramicznych materiałów piezoelektrycznych jest połączenie
tych materiałów z polimerami, co w efekcie powoduje otrzymanie kompozytu o większej odporności na kruche pękanie,
mniejszej gęstości i mniejszej stałej dielektrycznej. Otrzymywane w ten sposób piezoelektryczne kompozyty ceramiczno-
polimerowe znalazły zastosowanie głównie do wytwarzania czujników stosowanych w hydrolokacji. Prowadzone są też liczne
prace badawcze zmierzaja
ce do poprawienia ich właściwości.
Najważniejszymi zaletami polimerów piezoelektrycznych jest to, że nie są kruche tak jak ceramiczne materiały
piezoelektryczne i odznaczają się wyraz
nie niższą akustyczną impedancją właściwą, znacznie korzystniejszą do niektórych
zastosowań. Na przykład akustyczna impedancja (Z0) typowych polimerów piezoelektrycznych jest tylko 2,6 razy większa
niż wody, podczas gdy materiałów piezoelektrycznych jest ona przeciętnie 11 razy większa. Zbliżona impedancja
akustyczna pozwala na bardziej wydajne przekazywanie sygnału zarówno w wodzie jak i komórkach ludzkich, a także innych
materiałach organicznych. Polimery piezoelektryczne charakteryzują się ponadto łatwymi i znacznie tańszymi metodami
wytwarzania.
Do grupy polimerów piezoelektrycznych zaliczyć można takie polimery jak: polipropylen, polistyren, poli(metakrylan metylu),
semikrystaliczny poliamid o nazwie handlowej nylon 11, amorficzny octan winylu, polimoczniki i polimery ciekłokrystaliczne.
Kolejną grupą polimerów piezoelektrycznych są biopolimery, takie jak polipeptydy i cyjnaoetyloceluloza. Jednakże efekt
piezoelektryczny w wymienionych polimerach jest stosunkowo słaby. Silnym efektem piezoelektrycznym charakteryzuje się
jedynie poli(fluorek winylidenu) (PVDF) oraz jego kopolimery,np. z trifluoroetylenem (TrFE) lub tetrafluoroetylenem (TeFE).
Kopolimer PVDF z TrFE cechuje występowanie korzystnej, trudnej do uzyskania, stabilnej fazy beta, dzięki której nie musi
być on poddawany orientacji, co jest konieczne dla PVDF.
W ciągu ponad 30 lat badań właściwości piezoelektryczne polimerów PVDF i jego kopolimerów zostały znacznie poprawione.
Obecnie wykazują one najsilniejszy efekt piezoelektryczny spośród wszystkich znanych organicznych polimerów
syntetycznych. Są one bardzo giętkie, można łatwo je kształtować i szybko reagują na zmiany naprężenia. Najczęściej
PVDF jest produkowany w postaci folii o grubości od 9 do 800 mikrometrów. Ultracienkie powłoki pozwalają na konstruowanie
nowej generacji miniaturowych czujników o bardzo dobrych parametrach. Czujniki takie mogą pracować w temperaturze od
-40 do 135 stopni Celsjusza. Polimery piezoelektryczne umożliwiają wykonanie przetworników przetworników złożonych
kształtach, np. cylindrycznych lub półsferycznych. W konsekwencji dało to nową rodzinę przetworników, których
zastosowanie i parametry pomiarowe mogą być wykorzystane w różnych gałęziach przemysłu.
Piezoczujniki wykonane z kopolimerów PVDF charakteryzują się:
- szerokim zakresem częstotliwości (od 10-3 do 109 HZ)
- szerokim zakresem działania sił dynamicznych (wywołujących ciśnienia od 10-5 do 109 Pa)
- niską impedancją akustyczną
- wysoką podatnością sprężystą
- wysokim napięciem wyjściowym, tzw. odpowiedzią napięciową (10-krotnie wyższym od ceramicznych materiałów
piezoelektrycznych przy tej samej sile wymuszającej)
- wysoką wytrzymałością dielektryczną (wytrzymuje silne pola rzędu 75 V/mikro, w których większość ceramicznych
materiałów piezoelektrycznych depolaryzuje się)
- dużą wytrzymałością mechaniczną i udarnością
- stabilnościa
i odpornością na wilgoć (absorpcja wilgoci <0,02%), większość chemikaliów, utleniaczy i promieniowanie UV.
Porównanie właściwości najbardziej popularnych materiałów piezoelektrycznych z grupy polimerów z ceramiki przedstawiono
w postaci tabeli:
www.matint.pl/materialy-piezoelektryczne.php 4/6
17.06.2013 Materiały piezoelektryczne, piezoelektryki - materiały inteligentne
PVDF charakteryzują się niższą piezoelektryczną stałą naprężenia , lecz zncznie wyższą piezoelektryczną stałą
odkształcenia , co wskazuje, że jest on znacznie lepszym czujnikiem niż PZT i BaTiO3. Czujniki i aktuatory
wykorzystujące polimery piezoelektryczne są łatwe do wykonania: można je ciąć, a także można z nich formować elementy
o bardzo skomplikowanym kształcie. Ponadto polimery piezoelektryczne może również cechować duża wytrzymywałość i
udarność. Pożądanymi cechami tych polimerów są także: niska stała dielektryczna, mała sztywność i mała gęstość, co
wpływa na dużą czułość napięciową (korzystna charakterystyka dla czujników) i niską akustyczną i mechaniczną
impedancję (korzystna charakterystyka dla medycznych i podwodnych zastosowań).
Większość metod dotyczących charakteryzowania i modelowania zjawisk piezoelektrycznych została opracowana dla
ceramiki. Wymagają one adaptacji do badania polimerów.
Ze względu na swoje własności zarówno PVDF jak i jego kopolimery znalazły zastosowanie zwłaszcza w medycynie do
wytwarzania sztucznych mięśni, skóry i organów ludzkich, urządzeń monitorujących m.in. przepływ krwi lub stan powierzchni
skóry, sond do badań inwazyjnych, jak np. w transrektalnym USG, mikrofonów, inwazyjnych także w innych dziedzinach np.
do wytwarzania podwodnych przetworników akustycznych, sejsmografów, pomp i zaworów, czujników natężenia ruchu
drogowego, przełączników, akceleratorów, przetworników drgań, detektorów emisji akustycznych.
Kompozyty ceramika - polimer
Sposobem na zminimalizowanie niekorzystnych właściwości ceramicznych materiałów piezoelektrycznych może być
połączenie tych materiałów z polimerami. Osnowa polimerowa powoduje otrzymanie kompozytu o większej odporności na
kruche pękanie w stosunku do ceramicznych materiałów piezoelektrycznych, zmniejszenie gęstości i przede wszystkim
obniżenie stałej dielektrycznej. Właściwości elektryczne i mechaniczne kompozytów ceramika-polimer zależą głównie od
udziału obu jego składników i oczywiście od właściwości każdego z nich. Właściwości takich kompozytów determinowane
są również przez sposób powiązania (adhezję) ceramiki i polimeru. Duży udział fazy polimerowej stanowiącej osnowę i
bardzo dobrze rozdrobniona ceramika powodują, że kompozyty te doskonale nadają się do przetwarzania sygnałów
ultradz
więkowych w wodzie. Struktura kompozytu ceramik-polimer umożliwia przepływ fal ultradz
więkowych z polimeru do
ceramiki. Celem jest otrzymanie kompozytów o maksymalnych współczynników hydrostatycznych, charakteryzowanych
przez dh - hydrostatyczny współczynnik ładunku i gh - hydrostatyczny współczynnik napięcia. Kompozyty piezoelektrycznej
ceramiki w osnowie polimerowej odznaczają się wysokimi wartościami ,
i
czułością niezależną od ciśnienia aż do 14 MPa, stabilnością termiczną w 100 stopni Celsjusza przez wiele miesięcy,
wysoką stałą dielektryczną (60-70) i wysokimi właściwościami mechanicznymi.
Znanych jest wiele metod wytwarzania piezoelektrycznych kompozytów ceramika-polimer (m.in. tape casting), ale nadal
istnieje potrzeba opracowania opłacalnego procesu produkcyjnego dla średniej wielkości serii takich kompozytów. Zależnie
od rozmieszczenia w polimerowej osnowie cząstek ceramiki piezoelektrycznej wyróżnia się kompozyty 0-3, 1-3, 2-3, 3-3
(perkolacja w 0,1,2 lub 3 kierunkach).
Piezoelektryczne kompozyty ceramiczno-polimerowe znalazły zastosowanie jako ultradz
więkowe przetworniki dla urządzeń
hydrolokacyjnych w marynarce, w medycznych systemach diagnostycznych (np. ultrasonografii) ultrasonografie
nieniszczących badaniach materiałów.
Zastosowanie materiałów piezoelektrycznych do nieniszczącej oceny wyrobów z materiałów i kompozytów
polimerowych.
Wyroby i konstrukcje inżynierskie narażone są z upływem czasu na starzenie i utratę możliwości realizacji przewidywanych
dla nich funkcji. Nie chodzi przy tym o starzenie moralne, wynikające z postępu naukowego i technicznego, ale o skutki
przewidywanych a także nieprzewidywalnych warunków pracy, powodujących uszkodzenia lub zmiany w strukturze
zastosowanych materiałów, materiałów w konsekwencji zmiany ich właściwości. Wyroby i konstrukcje inżynierskie mogą
ulegać uszkodzeniu w wyniku wad generowanych podczas ich wytwarzania, co wpływa na pogorszenie właściwości użytych
materiałów, zwłaszcza pod wpływem oddziaływania wilgoci, kwaśnych składników atmosfery i temperatury. Uszkodzenia
mogą powstawać także w warunkach eksploatacji wyrobów i konstrukcji na skutek przeciążenia lub nagłego (udarowego)
wzrostu obciążeń. Brak oceny zmian stanu technicznego konstrukcji i brak reakcji na powstające zagrożenia często
doprowadza do katastrofalnych wypadków. Ocenę stanu technicznego konstrukcji dokonuje się metodami kontroli
nieniszczącej (ang. nondestructive evaluation techniques - NDE), które umożliwiają wykrywanie wewnętrznych,
niewidocznych mikropęknięć.
Stosowanie metody kontroli nieniszczącej NDE, takie jak np. badania ultradz
więkowe, magnetyczne, rentgenowskie, emisji
akustycznej lub termografia są kłopotliwe z uwagi na wymiary konstrukcji (koszty badania tymi metodami dużych konstrukcji
są wyższe) i specyfikę aparatury badawczej, a ponadto mogą powodować czasowe wyłączenie badanego obiektu z
eksploatacji. Ponadto badania te mają charakter okresowy lub przypadkowy, albo też ograniczają się do monitorowania
warunków pracy konstrukcji (mechanicznych, cieplnych, zmian w środowisku pracy).
Możliwości, jakie stwarza stosowanie materiałów inteligentnych jako sensorów oceny stanu materiałów w wyrobach i
konstrukcjach inżynierskich stanowią podstawę rozwoju monitoringu, dostarczającego istotnych informacji o stanie
konstrukcji w sposób ciągły, w czasie rzeczywistym. Istnieje możliwość przekazywania tych informacji także za
pośrednictwem internetu, a więc na dowolną odległość.
W większości przypadków wykorzystanie materiałów inteligentnych do monitorowania stanu materiałów dotyczy materiałów
polimerowych i kompozytów polimerowych, częściowo materiałów ceramicznych, ale wiele informacji ma charakter
uniwersalny. Warto zaznaczyć, że ze względu na znaczenie problemów bezpieczeństwa eksploatacyjnego, większość
istniejących rozwiązań w tym zakresie dotyczy konstrukcji lotniczych lub budowlanych. Takie obiekty jak samoloty, mosty
czy rurociągi projektuje się bowiem na ponad 40 lat eksploatacji. Niektóre zastosowania sensorów wykonanych z materiałów
inteligentnych, przeznaczonych do monitorowania struktur stosowanych w kosmonautyce, wymagają od nich szczególnych
właściwości, jak np. odporność na zmiany pola elektromagnetycznego lub temperatury.
Istotną sprawą jest konieczność zapewnienia prawidłowej interpretacji sygnałów przekazywanych przez materiały
inteligentne. Do tego celu opracowano modele oparte na różnych podejściach teoretycznych.
Możliwe jest także monitorowanie nie tylko stanu wyrobów i konstrukcji w trakcie ich eksploatacji, lecz również procesu ich
wytwarzania. Dzięki temu uzyskuje się pełny obraz stanu wyrobów i konstrukcji poczynając od momentu ich wytworzenia.
Monitorowanie stanu wyrobów lub konstrukcji, w swojej istocie dotyczy monitorowania w trakcie eksploatacji stanu
materiałów tworzących wyrób lub konstrukcję. Podstawowe rozwiązania z zakresu monitorowania stanu materiałów opierają
się na włóknach światłowodowych, materiałach piezoelektrycznych, magnetostrykcyjnych, a także na pomiarze rezystancji.
Podstawowe cechy metody diagnostyki materiałów poprzez piezoceramiki wyglądają następująco:
- sposób rozmieszczenia sensorów: wbudowane w konstrukcję
- monitorowane rodzaje zjawisk: odkształcenie dynamiczne, impedancja
- obszar pomiaru: średni do dużego
- koszt: średni
- transmisja danych: łatwa
www.matint.pl/materialy-piezoelektryczne.php 5/6
17.06.2013 Materiały piezoelektryczne, piezoelektryki - materiały inteligentne
- transmisja danych: łatwa
Badania nad wykorzystaniem sensorów, złożonych z materiałów piezoelektrycznych, do monitorowania i diagnostyki stanu
materiałów w wyrobach i konstrukcjach kompozytowych sięgają wczesnych lat 80. ubiegłego stulecia. Pierwsze ich
praktyczne zastosowanie odnotowano jednak dopiero na początku lat 90. Rysunek poniżej (rysunek 1) przedstawia sposób
rozmieszczenia cienkich, małych płytek z materiałów piezoelektrycznych, takich jak poli(fluorek winylidenu) (PVDF) lub
cyrkonian-tytanian ołowiu (PZT).
Mogą one być umieszczone wewnątrz materiału lub na jego powierzchni. W większość przypadków z ich pomocą
monitorowany jest stan całego wyrobu lub konstrukcji.
Czujniki piezoelektryczne monitorujące stan materiału
Najczęściej monitorowane są drgania konstrukcji, uszkodzenia spowodowane udarami, uszkodzenia wewnętrzne (za pomocą
sygnałów diagnostycznych lub fali Lamba), a także impedancja strukturalna. Informacje uzyskane na skutek monitorowania
drgań konstrukcji mogą posłużyć do określenia stan u konstrukcji tj. stopnia jej uszkodzenia i degradacji. Wyróżnia się
monitorowanie pasywne i aktywne. Pierwsze z nich stosowane jest głównie do monitorowania stanu konstrukcji o dużych
gabarytach. Elementy piezoelektryczne w tym przypadku stanowią sensory odkształceń dynamicznych. Monitorowanie
aktywne, w których elementy piezoelektryczne są aktuatorami, jest przydatne do wykrywania uszkodzeń wewnętrznych w
materiale, takich jak np. delaminacja w kompozytach na (rysunek na poprzedniej kartce) wynika rodzaj rejestrowanych
(monitorowanych) skutków warunków pracy materiału. Niektóre rodzaje piezoelektrycznych aktuatorów i sensorów są tak
projektowane, aby mogły wysyłać i rejestrować fale Lamba, rozchodzące się w płytach o małej grubości. Fale te zdolne są
do wykrywania uszkodzeń wewnętrznych laminatów kompozytów (delaminacji).
Istnieją farby składające się z żywicy akrylowej, poliuretanowej lub epoksydowej i cząstek PZT lub BaTiO3, którymi maluje
się duże konstrukcje (np. zbiorniki) lub szybkie pojazdy. Pokrycia te umożliwiają wykrywanie szkodliwego poziomu drgań lub
uszkodzeń materiału (przy wykorzystaniu metody emisji akustycznej). Tendencje rozwojowe zmierzają do wykorzystania
farb "smart" do monitorowania także parametrów atmosferycznych.
Materiały inteligentne wykorzystywane są także do monitorowania procesu wytwarzania wyrobów i konstrukcji z materiałów i
kompozytów polimerowych. Monitoruje się między innymi proces utwardzania polimerów termo- i chemoutwardzalnych w
osnowie kompozytów. Sprawdzany jest chemiczny i fizyczny stan materiałów wyjściowych i jakość produktu finalnego.
Zebrane dane wykorzystywane są do optymalizacji procesu wytwarzania w celu uzyskania jak największej wydajności
procesu. Jakość wyrobu silnie zależy także od takich parametrów procesu wytwarzania jak temperatura i ciśnienie.
Uzyskane informacje o jakości struktury otrzymanego kompozytu stanowią wyjściową bazę danych do porównania ze
zmianami, jakie zachodzą w strukturze materiału w czasie jego eksploatacji.
Cechy metody monitorowania dla sensorów piezoelektrycznych:
- ulokowanie sensorów: osadzone w tworzywie
- monitorowane właściwości: impedancja
- koszt: średni
- przydatność praktyczna: dobra
Sensory wykonane z piezoelektrycznej ceramiki po raz pierwszy wykorzystano do monitorowana procesu utwardzania
polimeru w 1997 roku. Sposób pomiaru stopnia utwardzenia wykorzystuje zjawisko skurczu polimeru podczas utwardzania,
co wywołuje nacisk na rozmieszczone w nim sensory piezoelektryczne.
www.matint.pl
[e-mail]
Kraków 2006
www.matint.pl/materialy-piezoelektryczne.php 6/6