"Gorące" właściwości piezoelektryków.

"Gorące" właściwości piezoelektryków.

NASA wspiera projekt, którego celem jest wynalezienie nowych wysokotemperaturowych materiałów piezoelektrycznych, które mogłyby zostać wykorzystane do sterowania przepływem paliwa w turbinach gazowych lub jako czujniki w silnikach odrzutowych i w sprzęcie służącym do odwiertów ropy naftowej.

Materiały piezoelektryczne zmieniają swój kształt pod wpływem przyłożonego napięcia. Często są wykorzystywane jako czujniki, akcelerometry lub inicjatory. Niestety w przeważającej części znane piezoelektryki pracują tylko poniżej określonej temperatury.

Amerykańska firma TRS Technologies przy współpracy z Stanowym Uniwersytetem w Penn pracują nad odkryciem materiałów, które będą mogły pracować w turbinach gazowych jako inicjatory przy sterowaniu przepływem paliwa. "Wykorzystanie piezoelektryków w tym procesie drastycznie zwiększyłoby wydajność", powiedział dr Paul Rehrig, dyrektor do spraw badań i rozwoju w TRS Technologies.

Ten typ piezoelektrycznego inicjatora miałby wiele zastosowań w lotnictwie, marynarce i przemyśle samochodowym, np. w zaawansowanych systemach napędów kosmicznych lub jako czujniki na dużych głębokościach w odwiertach ropy naftowej.

Jednak aktualnie nie ma dostępnych żadnych piezoelektryków wysokotemperaturowych. W znanych piezoelektrykach wraz ze wzrostem temperatury pogarszają się właściwości. Piezoelektryki zmieniają swoją strukturę krystaliczną i właściwości po osiągnięciu określonej temperatury, zwanej temperaturą "Curie", w której zachodzi zmiana stanu. Celem jest znalezienie piezoelektryku o wysokiej temperaturze Curie. Zespół planuje zacząć od doprowadzenia do rozrostu fakturowanych ceramicznych materiałów piezoelektrycznych, w których można kontrolować orientację ziarna w mikronowej skali.

"Większość ceramicznych piezoelektryków to materiały polikrystaliczne z losowo ukierunkowanymi ziarnami. Możliwe jest osiągnięcie lepszych właściwości poszczególnych kryształów, jednak ich hodowla jest trudna i kosztowna", powiedział Rehrig.

"Krokiem pośrednim są fakturowane materiały ceramiczne, które również mają strukturę polikrystaliczną, jednak ich ziarna są ułożone tak, by uzyskać właściwości pojedynczego kryształu. (…) Jeżeli wszystkie ziarna są zorientowane w tym samym kierunku, to otrzymuje się materiał o lepszych właściwościach".
Zespół będzie również próbował wyhodować jednokryształowy ceramiczny materiał piezoelektryczny. Produkcja pojedynczych kryształów jest trudna, ponieważ niezbędna jest do tego wysoka temperatura, w której spora część kryształu wyparowuje podczas wzrostu", powiedział Rehrig.

"Przeanalizujemy również różne sposoby dopingowania materiału", dodał. "Ważna jest także kompozycja. Można manipulować proporcjami materiałów, z których tworzony jest piezoelektryk, uzyskując lepsze właściwości."

Zespół zamierza w pierwszej kolejności przyjrzeć się materiałom z rodziny związków strontu i niobu. Prace nad projektem rozpoczną się w styczniu. W Wielkiej Brytanii trwają pracę nad projektem o podobnym charakterze, kierowanym przez firmę Rolls-Royce. Projekt ten nosi nazwę ADVACT.