РОЗДІЛ 24. П'єзоелектричні генератори

Слід зазначити, що п'єзоелектричний ефект, спочатку виявлений у природних матеріалах, таких як кварц, турмалін, Сегнетова сіль і т.д., досить слабкий. У цей час синтезовані полікристалічні сегнетоелектричні керамічні матеріали з поліпшеними властивостями, такі як титанат барію Batioj і цирконат-титанат свинцю PZT (абревіатура формули Pb[Zrxtil-x]O3 (0 < х < 1)).

В Pzt-Кристалі негативні й позитивні електричні заряди розділені, але при цьому вони розподілені в обсязі кристала симетрично, що робить його електрично нейтральним. Щоб подібна кераміка стала п'єзоєлектриком, необхідно "відрегулювати" полярність зарядів у кристалічних ґратах. Для цього кераміку, що нагрівається, піддають обробці сильним електричним полем (E > 2000 В/мм), яке приводить до порушення симетрії в кристалі. У п'єзокристалах заряди різних знаків формують електричний диполь. Кілька прилеглих диполів формують так звані домени Вейса. До встановлення полярності домени орієнтовані довільним образом. Під дією електричного поля й високої температури кристал розширюється в напрямку поля й стискується по перпендикулярній осі. Це приводить до вибудовування диполів уздовж прикладеного електричного поля. Після вимикання поля й остигання п'єзокераміка здобуває залишкову поляризацію. Якщо до кристала з відрегульованою полярністю прикласти електричне поле, домени Вейса починають вирівнюватися уздовж поля, причому ступінь вирівнювання залежить від прикладеної електричної напруги. У результаті виникає зміна розмірів п'єзоелектричного матеріалу. При механічному тиску симетрія розподілу зарядів порушується, приводячи до різниці потенціалів на поверхнях кристала. Наприклад, кварц обсягом 1 см3 при прикладенні сили 2 кН може зробити напругу до 12500 В.

Тепер повернемося до роботи американських учених. Використовуючи динамічну модель, дослідники показали, що у вузькому діапазоні геометричних розмірів п'єзоелектричні наноструктури можуть перетворювати енергію з дуже великою ефективністю. При цьому, вони враховували не тільки п'єзоелектричний, але й флексоелектричний ефект (поява електричної напруги при згину сконструйований генератор на базі органічних нановолокон й крутінні п'єзоелектрика), який вносить додатковий вклад у результуючу ефективність п'єзоелектричних пристроїв. Встановлено, що найбільше сильно флексоелектричний ефект проявляє себе на нанорівні. У цьому випадку він у три рази перевищує по ефективності звичайний п'єзоелектричний ефект. Це відноситься, насамперед, до Pzt-матеріалів, виконаним у вигляді нанокантилеверів (балок нанометрових розмірів з однієї точкою опори) товщиною в межах 20-23 нм. За таких умов нанокантилевер досить гнучкий і чутливий до зовнішнього впливу. Будь-яка незначна вібрація, що передається через точку опори, приводять кантилевер у рух, у результаті чого в ньому виникають як п'єзоелектрика, так і флексострум. Розрахунки показали, що флексоелектричний ефект у кілька раз збільшує ефективність збору енергії нанокантилівером.