Когато готвите, завъртате копчето за запалване на газова печка, чувате отчетливо „щракване“ и син пламък се запалва; когато използвате запалка, леко натискане произвежда искра, която запалва газта... Тези ежедневни моменти на запалване разчитат безшумно на пиезоелектрични материали, а керамиката от бариев титанат (BaTiO₃) е класически представител на такива материали. Като първата открита безоловна пиезоелектрична керамика, бариевият титанат разчупи ограниченията на традиционните пиезоелектрични материали. В комбинация с отличните си диелектрични свойства, той е позволил миниатюризирането и интегрирането на съвременни електронни устройства. По-долу разкриваме мистерията на „генерирането на-електричество“ на керамиката от бариев титанат от основите до приложенията.
I. Защо керамиката с бариев титанат може да генерира напрежение?
Пиезоелектричната функция на керамиката от бариев титанат възниква от "разминаване" на зарядните центрове в кристалната структура. Бариевият титанат има структура от тип перовскит-, където бариевите йони (Ba²⁺), титаниевите йони (Ti4⁺) и кислородните йони (O²⁻) са подредени по специфичен модел и кристалната фаза се променя с температурата. Над точката на Кюри (120 градуса), бариевият титанат показва кубична кристална структура с висока симетрия; титановият йон се намира в центъра на решетката, центровете на положителния и отрицателния заряд съвпадат и няма спонтанна поляризация-така че не е пиезоелектричен. Под точката на Кюри кристалът се трансформира в тетрагонални (5–120 градуса), орторомбични (-90–5 градуса) или ромбоедрични (под -90 градуса) фази. В тези фази титановият йон (Ti⁴⁺) е леко изместен от центъра на кислородния октаедър, докато бариевите йони (Ba²⁺) и кислородните йони (O²⁻) също се изместват съответно. Тази асиметрична структура кара центровете на положителния и отрицателния заряд вече да не съвпадат, създавайки спонтанен поляризационен диполен момент - това е основното условие, което дава на бариевия титанат неговия пиезоелектричен потенциал.
Обаче естествената керамика от бариев титанат обикновено е поликристална, със спонтанни посоки на поляризация на множество малки зърна, подредени на случаен принцип, отменяйки общата поляризация и не показвайки макроскопично пиезоелектричество. За да се постигне пиезоелектрична функция, силно DC електрическо поле се прилага към синтерованата керамика при определена температура (процес, наречен "полиране"), принуждавайки първоначално случайните посоки на поляризация да се изравнят с електрическото поле. След полюсване и отстраняване на полето, някои от диполните моменти остават ориентирани, създавайки стабилна остатъчна поляризация и материалът става пиезоелектричен. Когато се приложи механично напрежение (напр. натиск, напрежение или срязване) върху полюсната керамика, кристалната структура се деформира, причинявайки относително изместване на центровете на положителен и отрицателен заряд и генерирайки поляризационни заряди. Тези заряди създават напрежение върху кристалните повърхности, постигайки преобразуване на механичната енергия в електрическа (директен пиезоелектричен ефект). Обратно, когато върху керамиката се прилага електрическо поле, ориентираните диполни моменти изпитват сили, които деформират решетката, преобразувайки електрическата енергия в механична енергия (обратен пиезоелектричен ефект).
II. От възпламенители до сензори: повсеместни пиезоелектрични приложения
Като първата безоловна керамика, открита като пиезоелектрична, бариевият титанат предлага не само стабилна пиезоелектрична производителност, но също така и голямо предимство: той е напълно безоловно-. Неговите основни съставки -барий, титан и кислород-са екологични елементи, елиминиращи замърсяването с олово при източника и нарушаващи екологичните ограничения на традиционните пиезоелектрични материали, съдържащи олово. Нещо повече, неговата производствена технология е силно съвместима със съществуващите електронни керамични производствени линии, което изисква ниски разходи за преоборудване. Тези предимства позволиха на пиезоелектричната керамика от бариев титанат да проникне във всеки ъгъл на съвременния живот, превръщайки се в ключови материали, които позволяват много ежедневни функции.
1. Електронно запалване и генератори за високо-напрежение
Това е най-класическото и интуитивно приложение. В запалки или газови печки, притискащ механизъм удря пиезоелектрична керамична плоча от бариев титанат, генерирайки незабавно хиляди волта, които искриха през въздушна междина, за да запалят газа. В сравнение с традиционното кремъчно запалване, пиезоелектрическото запалване е устойчиво на износване, не се влияе от влажността и е дълготрайно. Подобни принципи се използват в преносими електрошокови пистолети, импулсни възпламенители и други устройства.
2. Акустични и ултразвукови преобразуватели
Използвайки обратния пиезоелектричен ефект, електрическите сигнали се преобразуват в механични вибрации, за да се получи звук или ултразвук. Например:
Зумерите в мобилните телефони и домакинските уреди използват тънки пиезоелектрични диафрагми от бариев титанат, които са леки и с ниска мощност.
Ултразвуковите почистващи препарати съдържат пиезоелектрични вибратори, които генерират високочестотни вибрации, създавайки кавитационни мехурчета в почистващата течност за ефективно отстраняване на мръсотията.
Медицинските ултразвукови сонди могат също да използват безоловна керамика на базата на бариев титанат: директният пиезоелектричен ефект получава отразени вълни, което позволява изображения с висока разделителна способност на вътрешните телесни тъкани. Безоловното естество избягва потенциално увреждане на човешкото тяло от медицински устройства.
3. Сензори
Когато пиезоелектрична керамика е подложена на натиск, вибрация или ускорение, изходният заряд е пропорционален на приложената сила. Този принцип се използва в:
Електронни везни, където интегрираните сензори преобразуват налягането в сигнали за напрежение, за да изчислят теглото.
Електронни апарати за кръвно налягане, чиито сензори за налягане преобразуват механичното налягане от кръвното налягане в електрически сигнали чрез директен пиезоелектричен ефект, осигурявайки точна обратна връзка.
Индустриални машини, където прикрепените пиезоелектрични керамични листове се използват за онлайн наблюдение на налягане, вибрации и други параметри, което позволява прецизно откриване и контрол, като по този начин се поддържа интелигентно и прецизно индустриално развитие.