ما هي المواد المركبة الكهروإجهادية؟

التعريف والمبادئ الأساسية للمواد المركبة الكهروضوئية

المواد المركبة الكهروضوئية هي مادة مركبة مكونة من بلورات كهروضوئية ومواد غير كهروإجهادية ، والتي لها خصائص كهروإجهادية وميكانيكية ممتازة.

مادة مركبة كهروضوئية

يشير تأثير Piezoelectric إلى ظاهرة أن بعض البلورات ستولد فصل الشحن والفرق المحتمل عندما تتعرض لضغط خارجي أو مجال كهربائي. باستخدام هذا التأثير ، يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية أو الطاقة الكهربائية يمكن تحويلها إلى طاقة ميكانيكية. المبدأ الأساسي للمواد المركبة الكهروضوئية هو أنه من خلال الجمع بين البلورات الكهروضوئية والمواد غير الكهروضوئية ، يتم تعزيز التأثير الكهروإجهادي وله تطبيقات أوسع.

الهدف من تصميم المركبات الكهروإجهادية هو تحسين خصائصها الميكانيكية ، مثل القوة ، والصلابة ، ومقاومة التعب ، مع الحفاظ على خصائص كهرضغطية. تتكون هذه المادة المركبة عادة من مادة أو أكثر ، أحدهما عبارة عن مادة بلورية كهروإجهادية ، مثل PZT (Titanate Zirconate Lead) ، PZN (زركونات الصوديوم الرصاص) ، إلخ ؛ والآخر هو مادة غير كهروإجهادية ، مثل البوليمرات والسيراميك والمعادن ، إلخ.

تشمل طرق التحضير للمواد المركبة الكهروضوئية تفاعل الحالة الصلبة ، وطريقة SOL-GEL ، وملء مسحوق السيراميك الكهروضوئي ، وما إلى ذلك ، من خلال هذه الطرق ، يمكن تحقيق التوزيع الموحد وتكامل وثيق للبلورات الكهروضوئية والمواد غير الكهروضائية ، وبالتالي تحسين الأداء العام للمواد.

يتم استخدام المركبات الكهروضوئية في مجموعة واسعة من التطبيقات ، مثل أجهزة الاستشعار والمشغلات وأجهزة الموجة الصوتية والصوتية ، وحصاد الطاقة وتخزينها. من خلال ضبط نسبة وتصميم البلورات الكهروضوئية والمواد غير الكهروضوئية في المواد المركبة ، يمكن تحقيق خصائص كهروإجهادية مختلفة وخصائص ميكانيكية لتلبية متطلبات التطبيق المختلفة.

تتكون المواد المركبة الكهروضوئية من مكونين رئيسيين: السيراميك الكهروضوئي ومصفوفة بوليمر. السيراميك الكهروضوئية هي مواد سيراميكية خاصة تظهر تأثير كهرضغطية ، أي القدرة على فصل الشحنات عند تطبيق الإجهاد الميكانيكي أو الحقل الكهربائي. مواد السيراميك الكهروضوئية شائعة الاستخدام هي تيتانيت باريوم الزركونيت (PZT) وأكسيد الرصاص الباريوم (PBB). مصفوفة البوليمر هي مادة بوليمر تستخدم لملء ودعم جزيئات السيراميك الكهروضوئية. مواد البوليمر شائعة الاستخدام هي البولي يوريثان والبوليميد.

تنتج الخواص الكهروإجهادية الخاصة لمركبات كهروضوئية من التفاعل بين السيراميك الكهروإجهادي ومصفوفة البوليمر. عند تطبيق الإجهاد الميكانيكي أو الحقل الكهربائي ، فإن الجزيئات piezoceramic تتشوه قليلاً ، مما يسبب فصل الشحن. يمكن حصاد فصل الرسوم هذا واستخدامه في تطبيقات مثل أجهزة الاستشعار والمحركات وحصاد الطاقة وتوليد الطاقة.

تحتوي المركبات الكهروضوئية على العديد من المزايا ، بما في ذلك الحساسية العالية ، وإخراج الجهد العالي ، ومدى استجابة التردد الواسع ، والمتانة الجيدة. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للمرونة واللدونة في مصفوفة البوليمر ، يمكن للمركبات الكهروضوئية أيضًا تحقيق مجموعة متنوعة من الأشكال والضغط مثل الانحناء والتمدد والبثق ، وتوسيع حقول التطبيق الخاصة بهم.

حقول التطبيق للمواد المركبة الكهروإجهادية

1. مستشعر الصوتية: يمكن للمواد المركبة الكهروإجهادية تحويل الإشارة الصوتية إلى إشارة كهربائية ، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في مجال المستشعر الصوتي. على سبيل المثال ، يمكن استخدام المواد المركبة الكهروإجهادية لإنشاء أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية للكشف عن الموجات فوق الصوتية والتصوير في المجال الطبي.

محول المواد المركبة بالموجات فوق الصوتية

2. حصاد طاقة الاهتزاز: يمكن تحويل المواد المركبة الكهروضوئية إلى طاقة كهربائية من خلال الاهتزاز الميكانيكي واستخدامها لحصد طاقة الاهتزاز في البيئة. تستخدم تقنية حصاد الطاقة هذه على نطاق واسع في شبكات المستشعرات اللاسلكية ، وأجهزة إنترنت الأشياء ، وما إلى ذلك ، لتوسيع عمر الأجهزة.

3. أجهزة استشعار الضغط: يمكن تحويل المواد المركبة الكهروإجهادية إلى إشارات كهربائية عن طريق قياس تغييرات الضغط التي تتعرض لها. هذا يجعلها تستخدم على نطاق واسع في مجال أجهزة استشعار الضغط ، على سبيل المثال في الأتمتة الصناعية وهندسة السيارات والمعدات الطبية لقياس تغييرات الضغط.

4. التحكم في الاهتزاز: يمكن استخدام مادة مركبة كهروضوئية في أنظمة التحكم في الاهتزاز ، مثل التحكم في الاهتزاز الهيكلي وأنظمة الحد من الاهتزاز التكيفي في مجال الفضاء الجوي. يمكن تحقيق التحكم الفعال في الاهتزاز عن طريق تطبيق مجال كهربائي للتحكم في الشكل والخصائص الميكانيكية للمواد المركبة الكهروضوئية.

تصادم تجنب السونار

5. انتقال الطاقة وتوليد الطاقة: يمكن استخدام مادة مركبة كهروضوئية في نقل الطاقة وتوليد الطاقة. على سبيل المثال ، باستخدام تأثيرها الكهروضوئي ، يتم إنشاء الطاقة الكهربائية تحت الضغط الميكانيكي ، وبالتالي تحقيق انتقال الطاقة وتوليد الطاقة. يمكن تطبيق هذه التكنولوجيا في مجالات مثل الهياكل الذكية ، وجwmentsing الطاقة ، وأكثر من ذلك.

توفر المواد المركبة الكهروإجهادية العديد من المزايا على مواد أخرى في مختلف التطبيقات بسبب مزيجها الفريد من الخصائص. ومع ذلك ، لديهم أيضا بعض القيود التي يجب مراعاتها. دعونا نستكشف كل من مزايا وقيود المواد المركبة الكهروضوئية والتحديدات:

ميزات المواد المركبة الكهروإجهادية

مزايا المواد المركبة الكهروضوئية:

الأداء المحسن: يمكن تصميم مواد مركبة كهروضوئية في بيزوي لإظهار خصائص كهروضوئية متفوقة مقارنة بالمواد الكهروضوئية ذات الطور الواحد. يتضمن هذا الأداء المعزز معاملات كهروضوئية أعلى ، مما يؤدي إلى تحويل أفضل للطاقة الميكانيكية إلى الطاقة الكهربائية والعكس صحيح.

الخصائص المصممة: تسمح المركبات الكهروضوئية بتخصيص الخصائص عن طريق ضبط التكوين والهندسة وترتيب المراحل المكونة. تمكن هذه المرونة المهندسين من تصميم المواد التي تلبي متطلبات تطبيق محددة ، مثل استجابة التردد ، والحساسية ، واستقرار درجة الحرارة.

المرونة الميكانيكية: على عكس بعض السيراميك التقليدي الكهروضوئية التي هي هشة وعرضة للتصدع تحت الضغط الميكانيكي ، يمكن تصميم المركبات الكهروإجهادية لتكون أكثر مرونة ميكانيكيا. هذا مفيد بشكل خاص في التطبيقات حيث تحتاج المواد إلى الخضوع للانحناء أو التمدد دون المساس بأدائها الكهروضوئي.

نطاق التردد الواسع: يمكن تصميم المركبات الكهروإجهادية للعمل بكفاءة عبر نطاق تردد واسع. هذا التنوع يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات التي تتراوح من المشغلات عالية التردد إلى حصاد الطاقة منخفضة التردد.

تقليل المعاوقة الصوتية: في تطبيقات التصوير الطبي وتطبيقات السونار ، يمكن تحسين المركبات الكهروإجهادية الكهروإجهادية للحصول على مقاومة صوتية أقل ، مما يسمح بمطابقة صوتية أفضل مع الوسيلة المحيطة. وهذا يؤدي إلى تحسين انتقال الطاقة والاستقبال.

قيود المواد المركبة الكهروضوئية:

التصنيع المعقد: يمكن أن يكون تصنيع المركبات الكهروإجهادية ذات الترتيبات الدقيقة للمراحل المكونة تحديًا ومكلفًا. تتطلب عملية التصنيع التحكم الدقيق في ترسب المواد والمحاذاة والترابط لتحقيق الخصائص المطلوبة.

المقايضات بين الخصائص: تصميم المركبات الكهروإجهادية غالبًا ما يتضمن المفاضلات بين الخصائص المختلفة. على سبيل المثال ، قد يأتي تعزيز جانب واحد ، مثل معامل الكهروضوئية ، على حساب انخفاض القوة الميكانيكية أو زيادة التعرض لتقلبات درجة الحرارة.

تباين الخواص وحساسية الاتجاه: قد تظهر المركبات الكهروضوئية في السلوك متباين الخواص ، مما يعني أن خصائصها يمكن أن تختلف اعتمادًا على اتجاه القياس أو تطبيق الإجهاد. هذه الحساسية الاتجاهية يمكن أن تعقد توصيف المواد وتصميم الجهاز.

استقرار درجة الحرارة المحدودة: قد يكون لبعض تركيبات Piezoelectric Composite ثبات محدود في درجات حرارة عالية. يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تغييرات في خصائص المواد ، مما يؤثر على أدائها وطول العمر.

التكلفة والتوافر: اعتمادًا على عملية التكوين والتصنيع المحددة ، يمكن أن تكون المركبات الكهروإجهادية أكثر تكلفة لإنتاجها مقارنة بالسيراميك الكهروضوئي التقليدي. بالإضافة إلى ذلك ، قد لا تتوفر كل الاختلافات في المركبات الكهروإجهادية في السوق.

في الختام ، توفر المواد المركبة الكهروإجهادية مجموعة من المزايا ، بما في ذلك الأداء المحسن ، والخصائص المصممة خصيصًا ، والمرونة الميكانيكية. ومع ذلك ، فإنها تأتي أيضًا مع تحديات تتعلق بتعقيد التصنيع ، والمقايضات بين الخصائص ، وحساسية الاتجاه. من الضروري دراسة متأنية لهذه العوامل عند اختيار المركبات الكهروإجهادية لتطبيقات محددة.