П'єзоелектрики - студопедія
У 1880 році братами П. і Ж. Кюрі був відкритий прямий п'єзоефект - виникнення електростатичних зарядів на платівці, вирізаної з кристала кварцу, під дією механічної напруги. Ці заряди пропорційні механічної напруги, змінюють знак разом з ним і зникають після зняття напружень.
Поряд з прямим п'єзоефектом, спостерігається і зворотний п'єзоефект, коли під дією електричного поля виникає механічна деформація кристала, причому величина механічної деформації прямо пропорційна напруженості електричного поля.
Зворотний п'єзоефект не слід змішувати з електрострикції - деформацією діелектриків під дією електричного поля. Електрострикція спостерігається як в твердих діелектриках, так і рідких, тоді як п'єзоефект спостерігається тільки в твердих діелектриках з певною кристалічною структурою. Крім того, при електрострикції спостерігається квадратична залежність між напруженістю поля і деформацією, а при п'єзоефекті - залежність лінійна.
П'єзоелектричний ефект спостерігається тільки тоді, коли кристалічна решітка несиметрична. Відсутність центру симетрії кристалічної решітки є необхідною, але недостатньою умовою появи п'єзоелектричного ефекту.
Як зазначалося вище, при прямому п'єзоефекті заряди на поверхні діелектрика пропорційні прикладеній силі.
Де Q - величина заряду, F - величина доданої сили, d - коефіцієнт пропорційності між зарядом і прикладеною силою, званий п'єзомодуль.
Поділивши величину заряду і прикладену силу на площу S, отримаємо
де: qs - поверхнева щільність зарядів, Р - поляризація, s - механічні напруги.
Для випадку зворотного п'єзоефекту п'єзомодуль пов'язує величину відносної деформації кристала з напруженістю електричного поля
Важливо відзначити, що наведені співвідношення мають лише якісний характер. Реальне опис п'єзоелектричного ефекту набагато складніше. Справа в тому, що механічне напруження є тензорною величиною, що має шість незалежних компонентів, тоді як поляризація є векторною величиною. Тому п'єзомодуль, що встановлює зв'язок між вектором поляризації і механічними напруженнями, є тензором третього рангу, які мають 18 незалежних компонентів. У тензорною формі рівняння прямого і зворотного п'єзоефектів приймає наступний вигляд:
де i = 1,2,3 - компоненти вектора поляризованности; j = 1,2 ... 6 - компоненти тензора механічних напружень або деформацій.
Крім п'єзомодуль ще однією важливою характеристикою пьезоелектріков є коефіцієнт електромеханічного зв'язку k. Квадрат цього коефіцієнта є відношенням механічної енергії до повної електричної енергії отриманої від джерела живлення.
В даний час відомо велика кількість речовин, що володіють п'єзоелектричними властивостями, в тому числі - все сегнетоелектрики. Однак не всі п'єзоелектричні матеріалу знайшли технічне застосування.
Одним з найбільш відомих пьезоелектріков є монокристалічний кварц - безводний діоксид кремнію, кристалізується в тригонально-трапецоедрічеськая класі гексагональної сингонії. Великі природні прозорі кристали кварцу отримали назву гірського кришталю. У кристалах кварцу прийнято розрізняти три головні осі: Х - вісь, що проходить через вершини шестикутника поперечного перерізу (таких осей 3); Y - вісь, перпендикулярну осях шестикутника поперечного перерізу (таких осей також три); Z - вісь, що проходить через вершини кристала.
Пластинки кварцу, вирізані перпендикулярно осі Z, не володіють п'єзоелектричним ефектом. Найбільший ефект спостерігається в пластинках, вирізаних перпендикулярно осі Х.
Плоскопаралельна полірована пластинка кварцу з електродами і власником є п'єзоелектричний резонатор, тобто є коливальним контуром з певною резонансною частотою коливань. Резонансна частота залежить від товщини пластинки і напрямки зрізу. Перевагами кварцових резонаторів є малий tgd і висока механічна добротність. Завдяки високій механічній добротності кварцові резонатори використовують в якості фільтрів з високою виборчої здатністю, а також для стабілізації і еталонірованія частоти в генераторах. Одним з найважливіших вимог до таких резонаторам є температурна стабільність резонансної частоти. Цій вимозі задовольняють пластинки спеціальних косих зрізів по відношенню до головних осей.
Природні кристали кварцу, як правило, містять дефекти, що знижують їх цінність. Тому основні потреби П'єзотехніка задовольняються штучними кристалами, що вирощуються з насичених кремнієм лужних розчинів.
Крім кварцу, як матеріали для п'єзоелектричних елементів широко використовують ніобат і танталат літію. За своєю природою дані матеріали є сегнетоелектриками. Для додання їм п'єзоелектричних властивостей виробляють відпал в сильному електричному полі, що проводить до створення монодоменного стану.
Аналогічним чином можна перевести в п`єзоелектричні стану сегнетокераміки. Поляризовану сегнетокераміки називають п'єзокерамікою. П'єзокераміка має перед монокристалами ту перевагу, що з неї можна виготовити активний елемент будь-якої форми і розміру. Як матеріал для п'єзокераміки використовують тверді розчини на основі титанату барію, титанату-цирконата свинцю, метаніобата свинцю.
Пьезокерамические матеріали прийнято розділяти на чотири функціональні групи. Матеріали групи 1 використовують для виготовлення високочутливих елементів, що працюють в режимі прийому або випромінювання механічних коливань. Для таких матеріалів необхідний великий п'єзомодуль. Матеріали групи 2 використовують для виготовлення генераторів сильних сигналів, які працюють в умовах сильних електричних полів або високих механічних напружень. Для таких матеріалів необхідно високий питомий електричний опір. Матеріали групи 3 використовують для виготовлення п'єзоелементів, що володіють підвищеною стабільністю резонансних частот в залежності від температури і часу. Матеріали групи 4 використовуються для виготовлення високотемпературних п'єзоелементів.
Матеріали на основі титанату барію. Найдешевшим матеріалом є п'єзокераміка ТБ-1 (BaTiO3). Відсутність в складі летких при випалюванні компонентів і простота технології виготовлення обумовлюють його широке поширення. Більшої температурною стабільністю характеристик мають тверді розчини титанатів барію і кальцію з добавкою кобальту (ТБК-3) і титанатів барію кальцію і свинцю (ТБКС).
Матеріали на основі твердих розчинів титанату - цирконата свинцю. На основі цих твердих розчинів розроблена серія п'єзоелектричних матеріалів, що носять умовну назву ЦТС (за кордоном PZT). Склад цих матеріалів базується на твердому розчині, що містить 53-54% цирконата свинцю і 46-47% титаната свинцю. Для поліпшення характеристик в основний розчин вводяться добавки титаната стронцію, а також ряд оксидів - оксиди ніобію, танталу, лантану, неодиму та ін.
Температура Кюрі цих матеріалів перевищує 250 ° С, і у них відсутні низькотемпературні фазові переходи, що призводить до великої стабільності діелектричної проникності і п'єзомодуль в порівнянні з характеристиками кераміки на основі титанату свинцю. Технологія отримання виробів з ЦТС ускладнена тим, що до складу ЦТС входить летючий оксид свинцю, який випаровується при випалюванні. Ця обставина призводить до поганої відтворюваності властивостей, тому випал заготовок п'єзоелементів виробляють в атмосфері парів оксиду свинцю.
Матеріали на основі метаніобата свинцю. Тверді розчини метаніобатов свинцю і барію ((Pb, Ba) Nb2 O3), що містять 40-50% метаніобата барію, мають високу температуру точки Кюрі (понад 250 ° С); у них також відсутні низькотемпературні фазові переходи. Технологія виготовлення виробів з них простіше, тому матеріали марок НБС отримали широке поширення.
Властивості деяких пьезокерамических матеріалів наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 Характеристики різних п'єзокераміка.