П'єзоелектрики

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрический эффект.

В1756 р. російський академік Ф. Эпинус виявив, що з нагріванні кристала турмаліну з його гранях з’являються електричні заряди. Надалі цього явища було присвоєно найменування пироэлектрического ефекту. Ф. Эпинус припускав, що причиною електричних явищ, можна побачити за зміни температури, є нерівномірний нагрівання двох поверхонь, що призводить до появи в кристалі механічних напруг. Одночасно зазначив, що сталість в розподілі полюсів на певних кінцях кристала залежить з його структури і складу, в такий спосіб, Ф. Эпинус підійшов впритул на відкриття п'єзоелектричного ефекту.

Пьезоэлектрический ефект в кристалах було у 1880 р. братами П. і Ж. Кюрі, наблюдавшими виникнення лежить на поверхні платівок, вирізаних при певній орієнтування з кристалу кварцу, електростатичних зарядів під впливом механічних напруг. Ці заряди пропорційні механічному напрузі, змінюють знак разом із і зникають за його зняття.

Образование електростатичних зарядів лежить на поверхні диэлектрика і електричної поляризації усередині нього внаслідок впливу механічного напруги називають прямим пьезоэлектрическим ефектом.

Наряду з прямим існує зворотний п'єзоелектричний ефект, які у тому, що у пластині, вирізаної з п'єзоелектричного кристала, виникає механічна деформація під впливом докладеної до неї електричного поля; причому величина механічної деформації пропорційна напруженості електричного поля.

Обратный п'єзоелектричний ефект годі було змішувати з явищем электрострикции, т. е. з деформацією диэлектрика під впливом електричного поля. При электрострикции між деформацією і полем існує квадратична залежність, а при пьезоэффекте — лінійна. З іншого боку, электрострикция виникає в диэлектрика будь-який структури та відбувається в рідинах і газах, тоді, як п'єзоелектричний ефект спостерігається лише у твердих діелектриках, головним чином, кристалічних.

Пьезоэлектричество з’являється лише у випадках, коли пружна деформація кристала супроводжується зміщенням центрів тяжкості позитивних і негативних зарядів елементарної осередки кристала, т. е. коли він викликає індивідуальний дипольный момент, яке необхідне виникнення електричної поляризації диэлектрика під впливом механічного напруги. У структурах мають центр симетрії, ніяка однорідна деформація зможе порушити внутрішнє рівновагу кристалічною ґрати і, отже, пьезоэлектрическими є кристали тільки 20 можна класів, які мають відсутня центр симетрії. Відсутність центру симетрії є необхідною, необхідною умовою існування п'єзоелектричного ефекту, і тому все ацентричные кристали мають им.

Пьезоэлектрический ефект неспроможна спостерігатися в твердих аморфних і скрытокристаллических діелектриках (майже изотропных), оскільки суперечить їх сферичної симетрії. Виняток становлять випадки, що вони стають анизотропными під впливом зовнішніх зусиль і цим частково набувають властивості одиночних кристалів. П'єзоефект може бути й у деяких видах кристалічних текстур.

До цього часу п'єзоелектричний ефект не знаходить задовільного кількісного описи у межах сучасної атомної теорії кристалічною грати. Навіть для структур найпростішого типу не можна хоча б приближённо обчислити порядок п'єзоелектричних постійних.

В справжні час розроблена феноменологическая теорія пьезоэффекта, котра зв’язує деформації і механічні напруженості із електричним полем і поляризацією в кристалах. Встановлено система параметрів, визначальних ефективність кристала як пьезоэлектрика. П'єзоелектричний модуль (пьезомодуль) d визначає поляризацію кристала (чи щільність заряду) при заданому прикладеному механічному напрузі; пьезоэлектрическая константа визначає механічне, що у затиснутому кристалі під впливом електричного поля; пьезоэлектрическая стала g характеризує електричну напругу в розімкнутої ланцюга при заданому механічному напрузі; і, нарешті, пьезоэлектрическая стала h визначає електричну напругу в розімкнутої ланцюга при заданої механічної деформації. Ці постійні є родинними величинами і зв’язані друг з одним співвідношеннями, куди входять в себе пружні константи і диэлектрическую проникність кристалів, тому можна скористатися кожної. Найбільш уживаний пьезомодуль d. П'єзоелектричні постійні є тензорами, і тому кожен кристал може мати кілька незалежних пьезомодулей.

В загальному вигляді рівняння прямого пьезоэффекта при вплив однорідної механічного напруги Tr записується так:

Pi=dirTr,.

Где Pi — компонент вектора поляризації; dir — пьезомодуль; Tr — компонент механічного напруги.

Уравнение зворотного пьезоэффека записується так:

Хi=dir*Er,.

Где Xi — компонент пружною деформації; Er — компонент напруженості електричного поля.

Каждый пьезоэлектрик є електромеханічний перетворювач, тому важливою його характеристикою є коефіцієнт электромеханической зв’язку r. Квадрат цього коефіцієнта є ставлення енергії, яка у поєднаному механічної формі для такого типу деформації, повної електричної енергії, отриманої на вході джерела харчування.

Во часто пьезоэлектриков суттєвими є їхньою пружні властивості, які описуються модулями пружності З (модулями Юнга Нею) чи зворотними величинами — пружними постійними P.S.

При використанні п'єзоелектричних елементів як резонаторів у деяких випадках вводять частотний коефіцієнт, являє собою твір резонансної частоти пьезоэлемента і геометричного розміру, визначального тип коливання. Ця величина пропорційна швидкості звуку у бік поширення пружних хвиль в пьезоэлементе.

В справжні час відомо багато речовин (більш 500), які виявили пьезоэлектрическую активність. Але тільки деякі їх знаходять практичне применение.

Пьезоэлектрики — монокристаллы.

Кварц. Кварц — широко распростронённый у природі мінерал, нижче температури 573 за Цельсієм кристалізується в тригонально-трапецоэдрическом класі гексагональної сингонії. Він належить до энантиоморфному класу, і є у природою двох модифікаціях: правої та скільки лівої.

По хімічним складом кварц є безводний діоксид кремнію (SiO2) молекулярна маса 60,06.

Кварц належить до найбільш твердих мінералів, має високої хімічної стійкістю.

Внешние форми природних кристалів кварцу відрізняються більшою розмаїтістю. Найбільш звичайній формою є комбінація гексагональної призми і ромбоэдров (пірамідальні межі). Грані призми розширюються до підставі кристала і мають лежить на поверхні горизонтальну штрихування.

Годный від використання в пьезоэлектрической апаратурі кварц є у природою вигляді кристалів, їх уламків і окатанных гальок. Колір від бесцветно-прозрачного (гірський кришталь) до чорного (морион).

Обычно природні кристали кварцу містять різні дефекти, які знижуватимуть їх цінність. До дефектів ставляться включення сторонніх мінералів (рутил хлорит), тріщини, бульки, фантоми, блакитні голки, звили і двойники.

В час поруч із природними використовуються синтетичні кристали кварцу, вирощувані в автоклавах при підвищених певній температурі й тиску з насичених диоксидом кремнію лужних растворов.

Пьезоэлектрические властивості кварцу широко використовують у техніці для стабілізації і фільтрації радіочастот, генерування ультразвукових коливань й у виміру механічних величин (пьезометрия).

Турмалін. Турмалін кристалізується в тригонально-пирамидальном класі тригональной сингонії. Кристали призматичні з подовжньої штрихуванням, подовжені, часто голчастою формы.

По хімічним складом турмалін є складний алюмоборосиликат з домішками магнію, заліза чи лужних металів (Na, Li, K).

Цвет від чорного до зеленого, також червоний до разового, рідше безбарвний. При терті электризуется, має сильний пироэлектрическим эффектом.

Турмалин широко распространён у природі, однак у вона найчастіше кристали рясніють тріщинами. Бездефектные кристали, придатні для п'єзоелектричних резонаторів, зустрічаються редко.

Основным перевагою турмаліну є великої ваги приватного коефіцієнта по порівнянню з кварцом. Завдяки цьому, і навіть через більшої механічної міцності турмаліну можливо виготовлення резонаторів більш високі частоты.

В час турмалін майже використовується виготовлення п'єзоелектричних резонаторів і має обмежений застосування виміру гідростатичного давления.

Сегнетова сіль. Сегнетова сіль кристалізується в ромботетраэдрическом класі ромбічної сингонії. Належність до энантиоморфному класу визначає теоретичну можливість існування правих і лівих кристалів сегнетовой солі. Проте отримані з відходів виноробства кристали сегнетовой солі бувають лише правыми.

Для запобігання впливу вологи пьезоэлементы з сегнетовой солі покривають тонкими плівками лака.

Пьезоэлементы з сегнетовой солі широко використовувались у апаратурі, яка працює порівняно вузькому температурному інтервалі, зокрема, в звукоснимателях. Однак на цей короткий час вони майже зовсім витіснені керамічними пьезоэлементами.

Дигидрофосфат амонію. Дигидрофосфат амонію кристалізується в тетрагональной сингонії. Кристали є комбінацію тетрагональной піраміди і призмы.

Кристаллы дигідрофосфату не містять кристалізованої води та не обезвоживаются. При 93% відносної вологості повітря кристали починають поглинати вологу і растворятся.

Дигидрофосфат амонію плавиться за нормальної температури 190 градусів Цельсии, проте вище 100 градусів із поверхні кристала починає випаровуватиметься аміак. Це обмежує верхній межа робочих температур.

В час внаслідок розвитку пьезоэлектрической кераміки застосування дигідрофосфату амонію ограничено.

Винокислый калій. Виннокислый калій (умовне позначення ВК) кристалізується в монокристаллической сингонии.

Содержащаяся в ВК кристаллизационная вода міцно связанна. Досвідченим шляхом встановлено, щодо температури 80 градусів зневоднення не настає. Помітне розчинення ВК починається при 80% влажности.

Резонаторы з ВК мають високі добротності і коефіцієнта электромеханической зв’язку. Вони можуть заміняти кварц в фільтрах дальньої связи.

Ниобат літію. Ниобат літію — синтетичний кристал, кристалізується в дитригонально-пирамидальном класі ромбоэдрической сингонии.

Ниобат літію не розчиняється у питній воді, не розкладається при високих температур, вирізняється високою механічної міцністю. По електричним властивостями він є сегнетоэлектрик з температурою Кюрі близько 1200 градусів Цельсия.

Благодаря своїм високим пьезоэлектрическим і механічним властивостями, зокрема і високої добротності, ниобат літію є перспективним матеріалом для виготовлення перетворювачів різного призначення. Тонкі (завтовшки близько одного мікрометра) плівки ниобата літію, одержувані катодным розпиленням в вакуумі, є орієнтовані полікристалічні текстури, які можна використані ролі випромінювачів і приймачів ультразвукових коливань НВЧ — диапазона.

Поликристаллические пьезоэлектрики..

П'єзоелектричні текстури. Текстури, є орієнтовану належним чином у просторі сукупність п'єзоелектричних кристалів, яка має центру симетрії, може бути пьезоэлектрическим ефектом. П'єзоефект в текстурах сегнетовой солі відкрили А. У. Шубниковым; ним було встановлено основні закономірності пьезоэффекта в аналогічних середовищах. Пьезотекстуры сегнетовой солі, одержувані нанесенням розплаву сегнетовой солі на підкладку з допомогою пензля, мають один пьезомодуль d14 сегнетовой соли.

В час такі текстури уявити не можуть практичного інтересу. Найбільше значення имебт текстури з урахуванням поляризованої пьезоэлектрической керамики.

Пьезоэлектрическая кераміка. Сегнетоэлектрические властивості таких матеріалів зумовлюють можливість п'єзоелектричного ефекту. Під впливом постійного електричного поля певна частина доменів орієнтується у бік докладеної поля. Після зняття зовнішнього поля більшість доменів утримується у своїй новому становищі через внутрішнього поля, яке виникає й унаслідок паралельної орієнтації напрямів поляризації доменів. Завдяки цьому кераміка стає полярною текстурою, яка має пьезоэффектом.

Керамическая технологію виготовлення пьезоэлементов не накладає принципових обмежень з їхньої форму й розміри. Ця обставина, і навіть високі значення п'єзоелектричних характеристик зумовили широке застосування керамічних пьезоэлементов у техніці, особливо у пристроях для випромінювання та прийому ультразвукових колебаний.

Особливості технології виготовлення керамічних пьезоэлементов. Характерною рисою процесу виготовлення пьезокерамических виробів був частиною їхнього поляризація сильним постійним електричним полем, яке прикладається зазвичай після нанесення електродів на спеченную заготівлю, отриману однією з методів керамічної технологии.

Промышленные пьезокерамические матеріали і пьезокерамические — полимеры..

Материалы з різні властивості поділяються на марки (за складом і характеристикам) і функціональні групи (по назначению).

Материалы функціональної групи 1 застосовуються виготовлення високочутливих пьезоэлементов, що працюють у режимі прийому чи випромінювання механічних коливань. Матеріали функціональної групи 2 призначені для пьезоэлементов, эксплуатирующихся за умов сильних електричних полів чи високих механічних напруг. Матеріали функціональної групи 3 застосовуються для виготовлення пьезоэлементов, які мають підвищену стабільністю резонансних частот залежно від температури і часу, а функціональної групи 4 — для високотемпературних пьезоэлементов.

Рассмотрим тепер властивості пьезокерамики різних типов.

Матеріали з урахуванням титаната барію. Титанат барію є сегнетоэлектриком. Пьезокерамика титаната барію (ТБ-1) широко застосовується для виготовлення перетворювачів, яких не пред’являють жорсткі вимогами з температурної і тимчасової стабільності характеристик. Відсутність в рецептурою титаната барію летючих при випалюванні компонентів і простота технолигии виготовлення пьезоэлементов роблять цей матеріал як раніше поширеним в технике.

Матеріали з урахуванням тверді розчинів титаната — цирконата свинцю. Тверді розчини титаната свинцаобладабт дуже високими значеннями п'єзоелектричних характеристик. За підсумками цих твердих розчинів були розроблено серії технологічних пьезокерамических матеріалів, умовне найменування ЦТС (там PZT).

Технология виготовлення виробів із матеріалів типу ЦТС ускладнена тим, що вони перебувають у собі оксид свинцю, який частково зникає при высокотемпературном випалюванні, що зумовлює поганий відтворюваності властивостей. Тому випал заготовок пьезоэлементов проводять у атмосфері парів оксиду свинцю, навіщо заготівлі вміщують у щільно закриті капсели, містять засипку з оксидних сполук свинцю. Проте, високі характеристики цього матеріалів роблять дуже поширеними виготовлення п'єзоелектричних перетворювачів різного призначення: для электроакустических приладів, ультразвукової техніки, пьезометрии, в тому числі деяких видів радіотехнічних фильтров.

Матеріали з урахуванням метаниобата свинцю. Тверді розчини метаниобатов свинцю і барію мають високої температури точки Кюрі. Матеріали на основі имебт стабільні у широкому температурному інтервалі значення пьезмодулей і резнансных частот. Технологія виготовлення изделей їх простіше, ніж із матеріалів марки ЦТС, оскільки що входять до склад ниобатной кераміки оксид свинцю мало летучий при обжиге.

Пьезоэлектрики — полімери. Деякі полімерні матеріали в вигляді механічно орієнтованих і поляризованих в електричному полі плівок є полярними текстурами, у яких спостерігається п'єзоелектричний ефект. У тому числі практичний інтерес представляє поливинилиденфторид (ПВДФ). При вытяжке плівок від цього полімеру на 300…400% у яких важить із заснуванням особливої конформації, котра вже після поляризації великому електричному полі набуває п'єзоелектричний эффект.

Список литературы

Справочник по електротехнічним матеріалам тому 3.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.