Những vật liệu mới thông minh-Phần 2

Các phẩm mầu thông minh Một loạt mở rộng các công nghệ đã được nghiên cứu với việc sử dụng các vật liệu áp điện thông minh. Hiệu ứng áp điện trực tiếp, còn được gọi là hiệu ứng áp điện đơn giản, là khả năng của những vật liệu nhất định – các khoáng vật, các vật liệu gốm và một số polyme – tạo ra điện tích tương ứng với áp lực cơ học tác động lên chúng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Những vật liệu mới thông minh-Phần 2 Những vật liệu mới thông minh-Phần 2Những vật liệu được kích hoạt điện: Các phẩmmầu thông minhMột loạt mở rộng các công nghệ đã được nghiên cứuvới việc sử dụng các vật liệu áp điện thông minh.Hiệu ứng áp điện trực tiếp, còn được gọi là hiệu ứngáp điện đơn giản, là khả năng của những vật liệu nhấtđịnh – các khoáng vật, các vật liệu gốm và một sốpolyme – tạo ra điện tích tương ứng với áp lực cơ họctác động lên chúng. Cũng có thể quan sát thấy hiệuứng nghịch – sự biến dạng của các vật liệu áp điệntrong điện trường bên ngoài.Hiệu ứng áp điện thuận đã được hai anh em Pier vàJack Curie phát hiện năm 1880. Họ đã chú ý tới hiệntượng, khi nén một tấm được cắt ra thu được sự địnhhướng ảnh tinh thể nhất định từ tinh thể thạch anh, đãgây ra sự tạo thành điện tích trên các mặt vuông gócvới hướng nén: điện tích dương trên một mặt, và điệntích âm trên mặt kia. Khi kéo phiến tinh thể cũng xảyra sự tạo thành các điện tích, nhưng nếu điện tích trênmột mặt nào đó khi nén đã là âm, thì điện tích trênmặt đó khi kéo lại là dương và ngược lại. Hiệu ứngáp điện thuận xuất hiện trong trường hợp, khi màbiến dạng đàn hồi của vật rắn xảy ra kèm theo sự xêdịch phi đối xứng phân bố các điện tích dương và âm,các ngẫu cực hay các nhóm ngẫu cực song song (củacác miền Veiss) trong cấu tạo của vật rắn, tức là làmxuất hiện mômen lưỡng cực chung, hay vật rắn bịphân cực. Hiệu ứng áp điện nghịch xuất hiện trongtrường hợp, khi mà điện trường bên ngoài gây ra sựphân bố lệch các điện tích, các ngẫu cực hay cácmiền Veiss, gây ra sự xê dịch hình học, xuất hiệndưới dạng các biến dạng cơ học (hình 4).Hình. 4. Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Hiệuứng áp điện thuận trong quá trình nén và kéo mẫucủa vật liệu áp điện, diễn ra sự tạo thành các điệntích trái dấu trên các mặt tương ứng của mẫu(cácảnh phía trên). Trong hiệu ứng áp điện nghịch, khitạo ra sự chênh lệch điện thế đối với mẫu của vật liệuáp điện gây ra biến dạng ∆h (hình phải bên dưới) –đối lập với hiệu ứng áp điện thuận, trong đó biếndạng ∆h tạo ra sự chênh lệch các điện tích (hình tráibên dưới).Hiện nay, hiệu ứng áp điện được phát hiện trongnhiều dạng vật liệu. Anh em nhà Curie đã phát minhra hiệu ứng áp điện trong các vật liệu thiên nhiên,như thạch anh, turmalin, topaz và muối xecgnetov(muối kali-natri vino toan 4 phân tử nướcKNaC4H4O6.4 H2O). Trong số này hiện nay chỉ cóthạch anh là được sử dụng vào những mục đích côngnghiệp. Tất cả các vật liệu áp điện tinh thể đơn quantrọng khác trong thực tế, như điphotphat amoniaNH4H2PO4, ortophotphat galia GaPO4 và các oxytphức tạp của lantan và galia, đều được chế tạo nhântạo.Mặc dù các vật liệu áp điện tinh thể đơn vẫn tiếp tụcđược nghiên cứu cho tới nay, nhưng một nhóm cácvật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả trongcông nghiệp đó là các vật liệu áp điện đa tinh thể.Chúng có một tập hợp phong phú các tính chất cóích, chúng còn có khả năng tham gia phản ứng trongmột phạm vi rộng những điều kiện làm việc. Vào thờiđiểm hiện nay, một nhóm lớn nhất các vật liệu gốmáp điện – đó là những vật liệu cấu tạo từ các tinh thểcó cấu trúc kiểu perovskit.(11)Đó là những oxyt kimloại phức tạp có công thức chung là ABO3, trong đóA và B là các cation kích thước khác nhau. Cation Acó thể là Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba và Pb, còn cation B cóthể là Ti, Sn, Zr, Nb, Ta và W.Đôi khi mỗi đôi các cation A và B có thể gồm hai haynhiều cation trong hoá học lập thể tổng quát(thí dụ,trong sirconat – titanat chì PbZrxTi1-xO3). Những vậtliệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả cấutạo từ các tính thể có cấu trúc kiểu perovskit, lànhững titanat bari BaTiO3 (là vật liệu được phát hiệnđầu tiên), titanat chì PbTiO3, sirconat-titanat chì(làvật liệu áp điện hiện nay được sử dụng rộng rãi hơncả), sirconat-titanat chì-lantan Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3và magnoniobat chì PbMg1/3Nb2/3O3.(12)Sau giai đoạn kết tụ trong quá trình sản xuất các vậtliệu gốm này, những đipol (ngẫu cực) trong chúngdường như chỉ song song ở bên trong của mỗi vậtnung, trong khi đó ở chính trong miền lại phân cựcmột cách hỗn loạn. Biến dạng đàn hồi của tập hợpcác ngẫu cực phân cực hỗn loạn không thể dẫn đến sựxê dịch phi đối xứng phân bố các điện tích và bởi vậykhông thể gây ra hiệu ứng áp điện. Bởi vậy bước cuốicùng sản xuất gốm áp điện bao giờ cũng bao gồm tạora điện trường mạnh dưới nhiệt độ tăng cao, sau đócác vật liệu nung phân cực tương đối giống nhau vàvật liệu trở thành áp điện (hình 5).Hình 5. Các hiệu ứng phân cực. Các ngẫu cực (đipol)trong vật liệu gốm nung kết chỉ song song bên trongmỗi vật nung, trong khi đó các vật nung lại phân cựchỗn loạn(hình bên trái). Sau phân cực trong điệntrường mạnh Ep dưới nhiệt độ tăng cao thì các vậtnung trở thành phân cực thực sự trên một hướng, vàvật chất trở thành áp điện (bên phải).Một số polyme từ đầu đã là áp điện hay có thể tạochúng thành áp điện. Các chất tương tự nằm trong sốnhững hợp ch ...