Naukowcy opracowali nową technikę, która pozwala na regenerację materiałów piezoelektrycznych stosowanych w technologiach ultradźwiękowych i sonarowych w temperaturze pokojowej, upraszczając naprawy i umożliwiając ciągłe użytkowanie bez konieczności demontażu. Metoda ta nie tylko zwiększa trwałość i wydajność tych urządzeń, ale także otwiera możliwości postępu w technologii ultradźwiękowej. Źródło: SciTechDaily.com
Nowa technika opracowana przez naukowców umożliwia przywrócenie kluczowych właściwości materiałów piezoelektrycznych w temperaturze pokojowej, usprawniając naprawy i wydłużając żywotność urządzeń ultradźwiękowych i sonarowych.
Ciepło i ciśnienie mogą pogorszyć właściwości materiałów piezoelektrycznych niezbędnych w zaawansowanych technologiach ultradźwiękowych i sonarowych. Tradycyjnie naprawa tego uszkodzenia polegała na demontażu urządzeń i wystawieniu materiałów na jeszcze wyższe temperatury. Teraz badacze opracowali technikę przywracania tych właściwości w temperaturze pokojowej, upraszczając proces naprawy i torując drogę nowym technologiom ultradźwiękowym.
Materiały piezoelektryczne mają wiele zastosowań, w tym technologie sonarowe i urządzenia generujące i wykrywające fale ultradźwiękowe. Aby jednak te urządzenia mogły skutecznie generować fale sonarowe lub ultradźwiękowe, materiał musi zostać „polerowany”.
Dzieje się tak dlatego, że materiały piezoelektryczne stosowane w zastosowaniach sonarowych i ultradźwiękowych to głównie materiały ferroelektryczne. I jak wszystkie materiały ferroelektryczne, wykazują one zjawisko zwane polaryzacją spontaniczną. Oznacza to, że zawierają pary dodatnio i ujemnie naładowanych jonów zwane dipolami. Kiedy materiał ferroelektryczny jest biegunowany, oznacza to, że wszystkie jego dipole zostały ustawione w jednej linii z zewnętrznym polem elektrycznym. Innymi słowy, wszystkie dipole są zorientowane w tym samym kierunku, co sprawia, że ich właściwości piezoelektryczne są bardziej widoczne.
Wyzwania w utrzymaniu wyrównania materiałów
„Jeśli te dipole nie są ustawione w jednej linii, trudno jest wygenerować ukierunkowane fale ultradźwiękowe o amplitudzie potrzebnej, aby były praktyczne” – mówi Xiaoning Jiang, autor korespondujący z artykułem na temat tej pracy i dziekan F. Duncan wybitny profesor mechaniki i lotnictwa Inżynieria o godz Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej.
„Zachowanie polaryzacji materiałów piezoelektrycznych i ferroelektrycznych stwarza pewne poważne wyzwania, ponieważ dipole mogą zacząć tracić swoje ustawienie pod wpływem podwyższonej temperatury lub wysokiego ciśnienia” – mówi Jiang.
„Jest to również problem produkcyjny, ponieważ ogranicza inne materiały i procesy, które można zastosować przy produkcji urządzeń ultradźwiękowych” – mówi Jiang. „A ponieważ podwyższone temperatury nie są nawet aż tak wysokie, problemy z wyrównaniem można zaobserwować już przy 70 stopniach Celsjusz – nawet transport lub przechowywanie tych technologii może czasami niekorzystnie wpłynąć na biegunowość i wydajność urządzeń.
„Co więcej, długotrwałe stosowanie niektórych technologii może spowodować, że samo urządzenie będzie wytwarzać ciepło, co grozi zniszczeniem materiału piezoelektryczno-ferroelektrycznego”.
A kiedy dipole w materiale przestaną być wyrównane, przywrócenie ich do wyrównania nie jest łatwe. Materiał piezoelektryczno-ferroelektryczny należy wyjąć z urządzenia i wystawić na działanie wysokiej temperatury – 300 stopni Celsjusza lub więcej – aby całkowicie zdepolować materiał przed jego „ponownym wypolerowaniem” i ponownym ustawieniem dipoli.
„Ważne jest, aby ponownie wykorzystać te materiały piezoelektryczne i ferroelektryczne, ponieważ są one zazwyczaj drogie – nie warto ich po prostu wyrzucać” – mówi Jiang. „Ale często materiał jest pobierany, a reszta urządzenia ultradźwiękowego jest odrzucana.
„Opracowaliśmy technikę, która pozwala nam depolować i repolować materiały piezoelektryczne i ferroelektryczne w temperaturze pokojowej. Oznacza to, że możemy ustawić dipole z powrotem w jednej linii bez usuwania materiału z urządzenia – i w razie potrzeby można to robić wielokrotnie”.
Zrozumienie nowej techniki
Aby zrozumieć nową technikę, należy zrozumieć, że istnieją dwa sposoby wyrównania dipoli w materiale piezoelektryczno-ferroelektrycznym. Najpowszechniej stosowana technika polega na przyłożeniu do materiału pola elektrycznego prądu stałego (DC), które przyciąga wszystkie dipole w tym samym kierunku.
„Ten sposób sprawdza się dobrze przy ustalaniu wyrównania, ale praktycznie niemożliwe jest usunięcie polaryzacji materiału przy użyciu wyłącznie pola prądu stałego” – powiedział Jiang.
Druga technika polega na przyłożeniu do materiału pola elektrycznego prądu przemiennego (AC), co powoduje, że dipole oscylują w odpowiedzi na fale w polu, aż do usunięcia pola i w tym momencie dipole blokują się w jednej linii.
„Odkryliśmy, że możemy również depolować materiał za pomocą pola prądu przemiennego, nawet w temperaturze pokojowej. Jeśli materiał był pierwotnie polaryzowany za pomocą pola prądu stałego, moglibyśmy usunąć większość polaryzacji za pomocą pola prądu przemiennego, ale nie całość” – powiedział Jiang. „Jeśli jednak materiał był pierwotnie polewany polem prądu przemiennego, odkryliśmy, że za pomocą pola prądu przemiennego może to również spowodować całkowite usunięcie materiału”.
Odkrycie to ma co najmniej dwie istotne konsekwencje dla technologii ultradźwiękowych.
„Jeśli uda nam się połączyć materiały piezoelektryczne i ferroelektryczne w temperaturze pokojowej, oznacza to, że będziemy mogli zmienić inne materiały i procesy produkcyjne, których używamy podczas tworzenia urządzeń ultradźwiękowych, aby zoptymalizować ich działanie” – mówi Jiang. „Nie ograniczamy się już do materiałów i procesów, które nie będą miały wpływu na polaryzację elementów piezoelektrycznych i ferroelektrycznych, ponieważ po zmontowaniu urządzenia możemy biegunować materiał za pomocą pola prądu przemiennego.
„Co więcej, oznacza to, że możemy z łatwością ponownie połączyć materiały w istniejących urządzeniach, co, miejmy nadzieję, zapewni nam długi okres najwyższej wydajności w przypadku tych technologii”.
Odniesienie: „Elektryczne usuwanie polaryzacji i ponowne polaryzacja monokryształów piezoelektrycznych relaksora-PbTiO3 bez obróbki cieplnej” wykonali: Hwang-Pill Kim, Mao-Hua Zhang, Bo Wang, Huaiyu Wu, Zhengze Xu, Sipan Liu, Sunho Moon, Yohachi Yamashita , Jong Eun Ryu, Jun Liu, Shujun Zhang, Long-Qing Chen i Xiaoning Jiang, 30 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50847-3
Praca ta została wykonana przy wsparciu Biura Badań Marynarki Wojennej w ramach grantu N00014-21-1-2058; Narodowa Fundacja Nauki w ramach grantów 2011978, 2309184 i 2133373; oraz z Laboratorium Krajowego Lawrence Livermore Departamentu Energii USA na podstawie umowy DE-AC52-07NA27344.
