Vật liệu gốm áp điện là sự chuyển đổi giữa năng lượng điện và cơ học, do đó chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị cơ điện.
Có hai hiệu ứng áp điện là thuận và nghịch, cả hai hiệu ứng này đều có thể được sử dụng cho các ứng dụng của gốm áp điện. Hiệu ứng áp điện thuận là tạo ra một điện tích hoặc điện áp cao khi có một ứng suất nén; Còn hiệu ứng áp điện nghịch, tạo ra các chuyển động nhỏ bằng cách áp một điện trường cho một mảnh gốm.
Các ứng dụng của vật liệu áp điện hiện đã mở rộng ra nhiều lĩnh vực kể từ khi anh em Curie phát hiện ra hiệu ứng vào năm 1880. Đã có những tiến bộ đáng kể trong các ứng dụng sau khi phát hiện ra vật liệu gốm PZT. Thiết bị áp điện có thể được được chia thành bốn loại chung: máy phát điện, cảm biến, cơ cấu vận hành và đầu dò tùy thuộc vào loại hiệu ứng vật lý được sử dụng.
Thiết bị truyền động áp điện
Vì điện áp rất cao mới có thể làm thay đổi nhỏ về chiều rộng của gốm áp điện, chiều rộng này có thể được thay đổi với độ chính xác cao hơn micromet, làm cho gốm áp điện trở thành công cụ quan trọng nhất để định vị các vật thể với độ chính xác cực cao, do đó có các ứng dụng của chúng trong các thiết bị truyền động. Khi sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch thì một sự dịch chuyển nhỏ có thể được tạo ra bằng cách áp một điện trường cho vật liệu gốm áp điện. Hiệu ứng rung có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một điện trường xen kẽ. Thị trường hiện tại có nhu cầu về kỹ thuật chính xác tiên tiến cho nhiều loại bộ truyền động có thể điều chỉnh vị trí chính xác (thiết bị định vị vi mô), triệt tiêu các rung động tiếng ồn (bộ giảm chấn) và điều khiển các vật thể một cách linh hoạt (động cơ siêu âm). Các thiết bị này được sử dụng trong các lĩnh vực, bao gồm quang học, thiên văn học, kiểm soát chất lỏng và máy móc chính xác. Các biến áp điện gây ra bởi một điện trường được sử dụng cho các ứng dụng cơ cấu vận hành máy móc.
Động cơ siêu âm
Động cơ siêu âm là một ví dụ về bộ truyền động áp điện sử dụng rung động cộng hưởng. Nó dựa trên khái niệm điều khiển rôto bằng rung cơ học được kích thích trên stato, thông qua hiệu ứng áp điện. Động cơ siêu âm bao gồm một nguồn cung cấp năng lượng tần số cao, máy rung và thanh trượt. Máy rung bao gồm một bộ phận truyền động áp điện và một bộ phận rung đàn hồi và thanh trượt bao gồm một bộ phận chuyển động đàn hồi và một lớp vỏ ma sát. Các tính năng độc đáo của động cơ siêu âm là mô-men xoắn đầu ra cao, phản ứng nhanh, mô-men giữ lớn mà không tiêu tán năng lượng và hoạt động không có từ trường. Những tính chất đặc biệt này là kết quả của việc sử dụng gốm áp điện, rung siêu âm và ma sát lực giữa stato và rôto. Trong hầu hết các động cơ áp điện, gốm áp điện bị kích thích bởi tín hiệu sóng hình sin ở tần số cộng hưởng của động cơ. Sử dụng hiệu ứng cộng hưởng, điện áp thấp hơn có thể tạo ra mức biên độ dao động cao. Nhiều loại động cơ siêu âm đã được đề xuất và chúng có thể được phân loại theo cách chuyển động của hạt elip được tạo ra trong stato. Ở đây, chỉ có hai loại động cơ siêu âm (loại sóng đứng và loại sóng lan truyền) được giới thiệu. Các loại động cơ này có một số lợi thế so với động cơ điện từ thông thường; Ví dụ như: điều kiển động cơ ở chế độ yên lặng (điều khiển ở tần số siêu âm), động cơ không có cơ chế bánh răng để giảm tốc độ và động cơ tiết kiệm năng lượng.
Cảm biến dựa trên gốm áp điện
Cảm biến dự trên gốm áp điện là một thiết bị sử dụng hiệu ứng áp điện để đo áp suất, gia tốc, biến dạng hoặc lực bằng cách chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện. Cảm biến áp điện đã được chứng minh là công cụ linh hoạt để đo lường các quá trình khác nhau. Chúng được sử dụng để đảm bảo chất lượng, kiểm soát quá trình và phát triển quy trình trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Từ khám phá ban đầu của Curies hồi năm 1880, phải đến thập niên 1950 trước khi hiệu ứng áp điện được sử dụng cho các ứng dụng cảm biến công nghiệp. Kể từ đó, việc sử dụng nguyên tắc đo lường này đã trải qua một quá trình phát triển liên tục và có thể được coi là công nghệ hiện đại với độ tin cậy vượt trội như nó vốn có. Nó đã được sử dụng thành công trong các ứng dụng quan trọng khác nhau, ví dụ như trong y tế, hàng không vũ trụ và thiết bị hạt nhân. Mặc dù các cảm biến áp điện là các hệ thống cơ điện phản ứng khi nén, các phần tử cảm biến cho thấy độ lệch gần như bằng không. Đây là lý do tại sao các cảm biến áp điện rất chắc chắn, có tần số tự nhiên cực kỳ cao và một tuyến tính tuyệt vời trên một phạm vi biên độ rộng.
Một nhược điểm của cảm biến áp điện là chúng không thể được sử dụng để đo dưới trạng thái tĩnh. Một lực tĩnh sẽ dẫn đến một lượng điện tích cố định trên vật liệu áp điện. Trong khi làm việc với các thiết bị điện tử ghi đọc thông thường, vật liệu cách điện không hoàn hảo và giảm điện trở cảm biến bên trong sẽ dẫn đến việc mất dòng điện tử liên tục và dẫn đến tín hiệu giảm đọc. Nhiệt độ tăng cao làm giảm sức chịu đựng bên trong. Trên thực tế, có rất nhiều ứng dụng hiển thị các phép đo bán tĩnh trong khi có những ứng dụng khác có nhiệt độ vượt quá 500°C.
Đầu dò siêu âm
Yêu cầu hiệu suất đầu dò ngày càng đòi hỏi cao hơn với các chế độ hình ảnh, chẳng hạn như chế độ dòng chảy và điều hòa hiện được tích hợp trong các hệ thống siêu âm. Hiệu suất đầu dò phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của nó và vào các tính chất vật liệu cấu thành, trong đó quan trọng nhất là yếu tố áp điện hoạt động.
Ngày nay, hệ thống hình ảnh siêu âm đã trở thành phương pháp ưu việt để đưa ra các hình ảnh của thai nhi trong tử cung. Công nghệ này, chưa được biết đến 30 năm trước, giờ đây đã được thực hiện nhờ sự phát triển của các bộ phát hiện dạng mảng dựa trên áp điện và khả năng thủ nhỏ của chúng, vì tăng độ phân giải đòi hỏi phải tăng số lượng cảm biến bên trong cùng một kích thước đầu dò. Ngày nay, các bộ phát hiện dạng mảng 2D có sẵn trên thị trường và những tiến bộ tiếp tục sẽ sớm cung cấp các hệ thống hình ảnh 3D thực sự. Ứng dụng y tế mới lạ khác là sử dụng gốm áp điện là các đầu dò dùng cho phẫu thuật tập trung và các liệu pháp y tế mới.
Giảm rung chủ động
Thiết bị truyền động và cảm biến áp điện cũng rất hữu ích cho việc kiểm soát rung chủ động. Các nhà nghiên cứu tại TU Darmstadt ở Đức đã nghiên cứu các cách để giảm rung động bằng cách gắn các áp điện. Khi vật liệu bị uốn cong bởi một rung động theo một hướng, hệ thống sẽ phản ứng với sự uốn cong và gửi năng lượng điện đến áp điện để uốn theo hướng khác. Công ty Siemens AG tại Đức gần đây đã phát triển các bộ giảm xóc dựa trên các bộ áp điện đa lớp cho các đoàn tàu sử dụng công nghệ mới. Đó là một hệ thống phát hiện hao mòn cho bánh xe lửa. Ý tưởng là để phát hiện những thay đổi trong khi rung của toàn bộ bánh xe gây ra bởi sự thay đổi bề mặt trên khu vực tiếp xúc. Cảm biến áp điện được đặt trên các khu vực riêng biệt của bánh xe, khi di chuyển trên bề mặt ray sẽ tạo tín hiệu điện. Hoạt động giảm xóc của tàu hỏa là cần thiết để cải thiện hiệu suất của các loại tàu cao tốc hiện nay. Mặc dù việc sử dụng giảm xóc áp điện nhiều lớp dựa trên gốm áp điện không đơn giản đối với các ứng dụng trọng tải cao, nhưng gần đây đã đạt được tiến bộ đáng kể. Trong các ứng dụng khác nhẹ hơn, các bộ giảm xóc đã được phát triển để sử dụng trong việc giảm rung bên trong vợt tennis và ván trượt.
Xem thêm:
