Пьезоэлектрики — справочник студента

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы.

Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

 Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки.

Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах.

Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Давайте сравним искусственно полученный цирконат-титанат свинца ЦТС и природный элемент кварц. Итак, ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.

ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3.

Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств.

Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO3.

Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO3. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическим керамическим материалом.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

• Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:
• 
• Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Источник: https://elenergi.ru/chto-takoe-pezoelektricheskij-effekt.html

Институт высоких технологий и пьезотехники ЮФУ — Пьезоматериалы НКТБ "Пьезоприбор"

Со времени открытия сегнетоэлектричества можно выделить три этапа развития исследований в этой области. На первом этапе проводились исследования физики пьезоэлектрического и сегнетоэлектрического эффектов. В результате были сформулированы основные направления использования сегнетоэлектриков.

На втором этапе произошло бурное развитие исследований, как новых представителей этого класса материалов, так и возможностей их промышленного освоения. В конце второго этапа были отобраны наиболее эффективные пьезоматериалы из числа сегнетокерамик, каждый из которых обладает преимуществами перед остальными в конкретной области применения.

На этом этапе дальнейшее развитие пьезотехники связывают с применением новых технологий, что позволяет не столько повысить эффективность материалов, сколько увеличить воспроизводимость свойств в партиях изделий, надежность работы преобразователей и т.д.

В 2015 году НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ отметил своё 40-летие. За эти годы организация прошла все этапы развития отрасли пьезоэлектрического приборостроения в стране.

Сегодня в нашем арсенале огромный спектр разработанных и внедренных в производство различных видов высококачественной, высокотехнологичной продукции, в том числе, не имеющей аналогов в России.В настоящее время НКТБ «Пьезоприбор» обладает большими возможностями в области создания, исследования и производства пьезокерамических материалов.

Широкий спектр аналитического, лабораторного, промышленного оборудования, позволяет изготавливать как стандартизированную пьезокерамику, так и материалы с заданными характеристиками. 

Нами была разработана линейка пьезокерамических материалов с уникальными характеристиками. Серия получила название ПКП, что является рекурсивным акронимом словосочетания «ПКП: Керамика Пьезоприбора». 

Общие понятия сегнето-пьезокерамики

Сегнетоэлектричество – физическое явление, наблюдающееся в полярных диэлектриках в определенных интервалах температуры и давления. Это явление характеризуется обратимостью (переключением вектора спонтанной поляризации под действием внешнего электрического поля, а в ряде случаев – и под действием внешнего механического поля.

Физический эффект, связывающий механическое воздействие (механическое напряжение или деформация) и электрический отклик диэлектрического кристалла (электрическое поле, электрическое смещение или поляризация), получил название пьезоэлектрический эффект, впоследствии – прямой пьезоэлектрический эффект. В дальнейшем экспериментальными методами был обнаружен и исследован обратный пьезоэлектрический эффект, сопровождающийся механическими деформациями (напряжениями) при приложении к образцу внешнего электрического поля

Сегнетопьезокерамические материалы (СПК) условно делят на сегнетомягкие и сегнетожесткие. Промежуточную стадию занимают материалы средней жёсткости.

Сегнетомягкие СПК характеризуются относительно низкой коэрцитивной силой Ес, высокими значениями диэлектрической проницаемости, пьезомодулей и коэффициентов электромеханической связи. Кроме того, сегнетомягким СПК свойственны повышенные диэлектрические потери и пониженная механическая добротность.

Сегнетожесткие СПК характеризуются противоположными сочетаниями свойств по отношению к сегнетомягким составам. Как правило, температура Кюри сегнетожестких СПК ТС > 300 °C.  Как показывает практика, сегнетожесткие СПК труднее наполяризовать или деполяризовать.

Хотя сегнетожесткие СПК более стабильны по отношению к внешним воздействиям, в этих СПК не наблюдаются значительные пьезоэлектрические деформации под действием внешнего электрического поля. 

Качество пьезокерамики характеризуется следующими основными параметрами:  

• KT33 (εT33/ε0) — относительная диэлектрическая проницаемость; 
• tg δ— тангенс угла диэлектрических потерь;
• Tc (Tk) — температура точки Кюри;
• Kp K33 K31 K15 — коэффициенты электромеханической связи;
• d33 -d31 d15 — пьезоэлектрические модули;
• g33 g31 g15 — электрические коэффициенты по напряжению;
• YE11 YE33 — модули Юнга;
• NL NT NR — частотные постоянные;
• SE11 SE33 — параметр эластичности;
• ρ — плотность;
• Qm — механическая добротность.

Поляризованное состояние керамики является неравновесным и метастабильным. Время релаксации t у современных сегнетокерамических материалов составляет несколько десятков лет. Эффект изменения параметров пьезокерамического материала со временем известен как старение.

В общем случае в керамике со временем могут происходить как необратимые, так и обратимые изменения. Необратимые процессы, которые можно либо полностью исключить, либо свести к минимуму, включают в себя химические и структурные изменения диэлектрика со временем.

Обратимое или электрическое старение является специфическим свойством сегнетоэлектриков, оно-то в основном и определяет временные изменения параметров пьезокерамики. 

Линейка пьезокерамических материалов НКТБ «Пьезоприбор»

(в том числе и материалы из ОСТ 1-0444-87 «Материалы пьезокерамические»

Материал	ε/ε	tgδ, не более	Кр не менее	Qm	|d31|, пКл/Н	d33, пКл/Н	Тк,°С	g33·10-6В·м/Н
Материалы сегнетомягкие
ЦТС-19	1620-1980	0,010	0,50	50-120	150-200	310-460	290	169-206
ЦТС-21	429-600	0,018	0,27	100-200	30-60	75-120	400	155-177
ПКП-11	2700-3000	0,025	0,55	60-80	220-250	600-650	180	192-197
ПКП-11М	3500-3700	0,025	0,055	50-80	260-280	700-735	170	175-180
ЦТС-НВ-1	1840-2450	0,020	0,52	70-120	165-260	400-540	240	192-195
ПКП-12	3500-4500	0,030	0,55	60-100	270-330	700-800	180	157-177
Материалы средней жёсткости
ЦТБС-3	2300	0,012	0,45	350	135-200	360-400	180	139-154
Сегнетожесткие материалы
ПКП-31	900-1100	0,003	0,58	2000	130-180	200-220	325	177-197
ПКП-33	1100-1600	0,003	0,60	450-1000	130-200	300-420	280	232-241
ПКП-35	1150-1350	0,005	0,59	750-850	130-150	280-330	290	227-240
Бессвинцовые материалы
ТБ-1	1300-1900	0,020	0,20	100	45-70	100-150	110	68-70
ТБК-3	1000-1400	0,020	0,20	300	43-75	80-160	95	71-101
Материалы с высокой чувствительностью по напряжению
ЦТС-36	650-800	0,020	0,58	60-80	90-150	290-380	350	395-420
ПКП-13	1100-1300	0,025	0,50	50-100	150-200	350-450	290	282-306
Высокотемпературные и высокостабильные материалы
ТВ-3	120-160	0,02	—	—	—	14-18	650	—
НТВ-2	120-160	0,0065	—	—	—	24-28	660	—
ТНВ-2	130-170	0,008	—	—	—	12-14	950	—
ЦТС-83*	1600-1800	0,025	0,50	50-70	110-130	350-370	320	182-194
ЦТС-83Г*	1300±100	0,025	0,50	50-70	100-120	300-320	360	202-221
* — рабочий температурный диапазон – до 300 °С
Композиционные материалы
Название	tgδ, не более	gv, мВ*м/Па	dv, фКл/Н	Тк°С
Композиционный материал со смешанным типом связности 3-0 и 3-3	200-1000	0,025	20-200	100-600	300
Композиционный материал КМБ-1	450-550	0,050	50-80	350-400	50

Скачать каталоги пьезокерамических материалов НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ:

1. Piezoceramic materials and elements full (EN)  
2. Piezoceramic materials short (EN)
3. Пьезокерамические материалы и элементы справочный каталог (RU) 
4. Пьезокерамические материалы (сокр.) (RU)

Источник: https://ivtipt.ru/pm

Пьезоэлектрический эффект: свойства и применение

В 19 веке в 1880 году братья Кюри проводили эксперимент, во время которого происходило образование электрического разряда, когда на кварц или другие виды кристаллов оказывалось давление. В дальнейшем это явление стало известно, как пьезоэлектрический эффект.

Греческое слово «пьезо» в переводе на русский язык означает сжатие. Некоторое время спустя, те же ученые открыли явление обратного пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой механическую деформацию кристалла под действием электрического поля.

Данное явление используется в электронных устройствах, где необходимо распознавание и преобразование звуковых сигналов.

Физические свойства пьезоэффекта

В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет.

Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением.

Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Прямой и обратный пьезоэффект

Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах – с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.

Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия – сжатия или растяжения.

Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента. Поскольку пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер, возникает специфическая реакция.

В случае отсутствия электрического напряжения, обратный пьезоэффект тоже будет отсутствовать, а жесткость пьезоэлемента уменьшится.

Таким образом, обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации материала – расширении или сжатии под действием приложенного к нему напряжения.

Данные элементы выполняют функцию своеобразного мини-аккумулятора и применяются в гидролокаторах, микрофонах, датчиках давления, других чувствительных приборах и устройствах.

Свойства обратного эффекта широко используются в миниатюрных акустических устройствах мобильных телефонов, в гидроакустических и медицинских ультразвуковых датчиках.

Расчет мощности трехфазной сети

Виды пьезоэлектрических материалов

Основным свойством таких материалов является возможность получения электроэнергии за счет сжатия или растяжения, то есть, деформации.

Все материалы, используемые на практике, классифицируются следующим образом:

• Кристаллы. Включают в себя кварц и другие виды природных образований.
• Керамические изделия. Представляют собой группу искусственных материалов. Типичными представителями являются цирконат-титанат свинца – ЦТС, а также титанат бария и ниобат лития. Они обладают более ярким пьезоэлектрическим эффектом по сравнению с природными материалами.

Если сравнивать ЦТС и кварц, становится заметно, что при одной и той же деформации, искусственный элемент вырабатывает более высокое напряжение.

Когда на него влияет обратный пьезоэлектрический эффект он соответственно сильнее деформируется, когда к нему приложено такое же напряжение, как и к кварцу.

Благодаря своим качествам, искусственные материалы получили широкое распространение в конструкциях керамических конденсаторов, ультразвуковых преобразователей и прочих электронных устройств.

Использование пьезоэффекта на практике

Пьезоэлектрические свойства кристаллов и материалов искусственного происхождения успешно применяются в различных областях. В качестве примеров можно привести ультразвуковую дефектоскопию, позволяющую выявлять дефекты внутри металлических конструкций, электромеханические преобразователи, стабилизирующие радиочастоты, различные датчики и другие приборы.

В электротехнике широко используется обратный пьезоэлектрический эффект, связанный с деформацией кристалла под действием приложенного напряжения.

В случае наложения на кристалл электрических колебаний с частотой звука, в нем возникнут колебания такой же частоты с выделением в окружающее пространство звуковых волн.

Все пьезоэлектрики имеют собственную частоту механических колебаний. Они проявляются с наибольшей силой, когда совпадают с частотой подведенного напряжения. Подобное наложение колебаний известно, как электромеханический резонанс. Данное свойство позволило создать различные виды пьезоэлектрических стабилизаторов, поддерживающих постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Ток короткого замыкания однофазных и трехфазных сетей

Точно такая же реакция наблюдается при действии механических колебаний с частотой, совпадающей с собственными колебаниями кристалла. Подобный эффект и его применение позволил создать акустические приборы, способные выделять из всей массы звуков лишь необходимые для конкретных целей.

При изготовлении приборов и устройств цельные кристаллы не используются. Они распиливаются на пластинки, имеющие строгую ориентацию с их кристаллографическими осями. Пластинки изготавливаются определенной толщины, в зависимости от того, какую резонансную частоту колебаний нужно получить. Они соединяются с металлическими слоями, и в результате происходит рождение готового пьезоэлемента.

Источник: https://electric-220.ru/news/pezoehlektricheskij_ehffekt/2018-05-06-1504

ПОИСК

    Пироэлектрический эффект обычно усложняется тем, что каждый пироэлектрик является одновременно и пьезоэлектриком.

Поэтому неоднородное изменение температуры кристалла вызывает деформацию, а последняя породит вторичную поляризацию пьезоэлектрического происхождения, налагающуюся на первичную пироэлектрическую поляризацию. [c.

275]

    Пьезоэлектрики — вещества, в которых возникают электрические заряды при деформации кристалла. [c.133]

    Преобразователь состоит из двух тонких пластинок керамического пьезоэлектрика. Пластинки наклеены одна на другую, поляризованы в противоположных направлениях и напоминают собой биметаллическое устройство. [c.509]

    Прм Компонент керамических диэлектриков, пьезоэлектриков и сегнетоэлектриков. [c.133]

    СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ — кристаллические вещества, спонтанно поляризующиеся в определенном интервале температур в отсутствии внешнего электрического поля. Это свойство впервые было обнаружено Валашеком в 1920 г.

у сегне-товой соли (NaK 4H40e 4Н2О), с чем связано наименование С. Все С. являются также превосходными пьезоэлектриками. С. широко используются в электро- и радиотехнике как материал для конденсаторов, в генераторах переменной частоты и т.

д. [c.221]

    Кварц — пьезоэлектрик (от греч. piezo — давление), в котором очень ярко проявляется пьезоэлектрический эффект. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется появление противоположных электрических зарядов на поверхности пластин, вырезанных из кристаллов перпендикулярно электрическим осям х (рис. 90). При дейст- [c.293]

    Пьезоэлектриками называются кристаллические вещества, не имеющие центра симметрии и поляризующиеся ири сжатии или растяжении, или при деформациях сдвига. В группу пьезоэлектриков, к каким относятся кварц, турмалин и другие вещества, входит еще частная группа пьезоэлектриков — сег-нетоэлектрики (сегнетова соль, метатитанат бария и др. см. гл. XII, 3). [c.294]

    Кварц — пьезоэлектрик (от греч. piezo — давление), в котором очень ярко проявляется пьезоэлектрический эффект. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется появление противоположных электрических зарядов на поверхности пластин, вырезанных нз кристаллов иер-пендикулярно электрическим осям х (рнс.

Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. При об- [c.365]

    Полученные результаты могут найти применение в исследовании процессов происходящих под действием радиации в сложных оксидах находящих широкое применение (ВТСП, сегнето- и пьезоэлектриках и т.п.), в процессах радиационного синтеза наноструктур и др. [c.99]

    ЛИТИЯ МЕТАТАНТАЛАТ LiTa03, 1650 С р-римость в воде 1-10 моль/л при 25 °С. Получ. взаимод. эквимоляр-ных кол-в ТагОз и LI2 O3 выше 1000 С. Сегнетоэлектрик, пьезоэлектрик, модулятор лазерного излучения. [c.304]

    Известны также две метастабильные модификации Ортофосфат устойчив до 1650 °С Не раств в воде, реагирует с к-тами и щелочами Монокристаллы берлинита, являющиеся пьезоэлектриками выращивают гидротермальными методами при 130-180°С из р-ров AI2O3 в конц Н3РО4 (6 моль/л) при атомном отношении А1 Р= 2,3-4 5 [c.121]

    Все П. являются и пьезоэлектриками, т. е. в них возникает поляризация при мех. сжатии (или растяжении) в определенных направлениях. Но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрич. эффектом. Ниже Кюри точки П. являются сегнетоэлектрики. [c.543]

    С. в поляризов. состоянии отличаются высокими пиро-и пьезоэлектрич. св-вами (см. Пьезоэлектрики) и находят практич. применение в электроакустич. и электромех. преобразователях, приборах ночного видения и др. [c.308]

    Важная характеристика диэлектриков-диэлектрич. проницаемость 8, характеризующая ослабление силы электростатич. взаимодействия зарядов в диэлектрике в сравнении с вакуумом. Она связана с поляризацией Т. т. при приложении внеш. электрич. поля. Для нек-рых диэлектриков характерно возникновение спонтанной поляризации (см.

Сегнетоэлектрики). Возможно также возникновение поляризации под действием упругой деформации, вызывающее пьезоэффект, противоположное явление-обратный пьезоэффект (см. Пьезоэлектрики). Указанные эффекты лежат в основе практич. использования соответствующих диэлектриков в пьезотехнике, акустоэлектроннке. [c.

502]

    Прм Желтый пигмент для красок, твердый раствор с РЬ2Юз — диэлектрик и пьезоэлектрик. [c.133]

Физика и химия твердого состояния (1978) — [ c.286 ]

Химический энциклопедический словарь (1983) — [ c.488 ]

Большой энциклопедический словарь Химия изд.2 (1998) — [ c.488 ]

Физика и химия твердого состояния органических соединений (1967) — [ c.111 , c.112 , c.191 ]

Возможности химии сегодня и завтра (1992) — [ c.90 ]

Общая и неорганическая химия (1981) — [ c.324 ]

Применение электронных приборов и схем в физико-химическом исследовании (1961) — [ c.212 , c.214 ]

Современные электронные приборы и схемы в физико-химическом исследовании Издание 2 (1971) — [ c.164 , c.166 ]

Краткий справочник химика Издание 6 (1963) — [ c.300 ]

Полимерные электреты Издание 2 (1984) — [ c.8 ]

Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников Издание 2 (1973) — [ c.296 , c.374 , c.385 , c.409 , c.419 ]

Краткий справочник химика Издание 7 (1964) — [ c.300 ]

Биосенсоры основы и приложения (1991) — [ c.441 ]

Источник: https://www.chem21.info/info/19602/

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрический эффект

В1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф.

Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений.

Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т. е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля.

При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте — линейная.

Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках, главным образом, кристаллических.

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения.

В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии.

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии.

Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов.

Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближённо вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.

В настоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией в кристаллах. Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла как пьезоэлектрика.

Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) d определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое, возникающие в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец, пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьезомодулей.

• В общем виде уравнение прямого пьезоэффекта при воздействии однородного механического напряжения Tr записывается так:
• Pi=dirTr,
• Где Pi — компонент вектора поляризации; dir — пьезомодуль; Tr — компонент механического напряжения.
• Уравнение обратного пьезоэффека записывается так:
• Хi=dir*Er,
• Где Xi — компонент упругой деформации; Er — компонент напряжённости электрического поля.

Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи r. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющийся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости C (модулями Юнга Ею) или обратными величинами — упругими постоянными S.

При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебания. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругих волн в пьезоэлементе.

В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение.

Пьезоэлектрики — монокристаллы

По химическому составу кварц представляет собой безводный диоксид кремния (SiO2) молекулярная масса 60,06.

Кварц относится к числу наиболее твёрдых минералов, обладает высокой химической стойкостью.

Внешние формы природных кристаллов кварца отличаются большим разнообразием. Наиболее обычной формой является комбинация гексагональной призмы и ромбоэдров (пирамидальные грани). Грани призмы расширяются к основанию кристалла и имеют на поверхности горизонтальную штриховку.

Годный для использования в пьезоэлектрической аппаратуре кварц встречается в природе в виде кристаллов, их обломков и окатанных галек. Цвет от бесцветно-прозрачного (горный хрусталь) до чёрного (морион).

Обычно природные кристаллы кварца содержат в себе различные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов (рутил хлорит), трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы, свили и двойники.

В настоящее время наряду с природными используются синтетические кристаллы кварца, выращиваемые в автоклавах при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.

Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются в технике для стабилизации и фильтрации радиочастот, генерирования ультразвуковых колебаний и для измерения механических величин (пьезометрия).

По химическому составу турмалин представляет собой сложный алюмоборосиликат с примесями магния, железа или щелочных металлов (Na, Li, K).

Цвет от чёрного до зелёного, также красный до разового, реже бесцветный. При трении электризуется, обладает сильным пироэлектрическим эффектом.

Турмалин широко распространён в природе, однако в большинстве случаев кристаллы изобилуют трещинами. Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрических резонаторов, встречаются редко.

Основным преимуществом турмалина является большее значение частного коэффициента по сравнению с кварцем. Благодаря этому, а также из-за большей механической прочности турмалина возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты.

В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.

Сегнетова соль. Сегнетова соль кристаллизуется в ромботетраэдрическом классе ромбической сингонии. Принадлежность к энантиоморфному классу определяет теоретическую возможность существования правых и левых кристаллов сегнетовой соли. Однако получаемые из отходов виноделия кристаллы сегнетовой соли бывают только правыми.

Для предохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрывают тонкими пленками лака.

Дигидрофосфат аммония. Дигидрофосфат аммония кристаллизуется в тетрагональной сингонии. Кристаллы представляют собой комбинацию тетрагональной пирамиды и призмы.

Кристаллы дигидрофосфата не содержат кристаллизованной воды и не обезвоживаются. При 93% относительной влажности воздуха кристаллы начинают поглощать влагу и растворятся.

Дигидрофосфат аммония плавится при температуре 190 градусов Цельсии, однако выше 100 градусов с поверхности кристалла начинает улетучиваться аммиак. Это ограничивает верхний предел рабочих температур.

В настоящее время вследствие широкого развития пьезоэлектрической керамики применение дигидрофосфата аммония ограничено.

Винокислый калий. Виннокислый калий (условное обозначение ВК) кристаллизуется в монокристаллической сингонии.

Содержащаяся в ВК кристаллизационная вода прочно связанна. Опытным путём установлено, что до температуры 80 градусов обезвоживание не наступает. Заметное растворение ВК начинается при 80% влажности.

Резонаторы из ВК имеют высокие добротности и коэффициента электромеханической связи. Они могут заменять кварц в фильтрах дальней связи.

Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия.

Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в том числе и высокой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения.

Тонкие (толщиной около одного микрометра) пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры, которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний СВЧ — диапазона.

Поликристаллические пьезоэлектрики.

Пьезоэлектрические текстуры. Текстуры, представляют собой ориентированную определенным образом в пространстве совокупность пьезоэлектрических кристаллов, не имеющую центра симметрии, могут обладать пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэффект в текстурах сегнетовой соли был открыт А. В. Шубниковым; им же были установлены основные закономерности пьезоэффекта в аналогичных средах.

Пьезотекстуры сегнетовой соли, получаемые нанесением расплава сегнетовой соли на подложку с помощью кисти, имеют один пьезомодуль d14 сегнетовой соли.

В настоящее время такие текстуры не представляют практического интереса. Наибольшее значение имебт текстуры на основе поляризованной пьезоэлектрической керамики.

После снятия внешнего поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, которое возникает в результате параллельной ориентации направлений поляризации доменов.

Благодаря этому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом.

Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значения пьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамических пьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приема ультразвуковых колебаний.

Особенности технологии изготовления керамических пьезоэлементов. Отличительной чертой процесса изготовления пьезокерамических изделий является их поляризация сильным постоянным электрическим полем, которое прикладывается обычно после нанесения электродов на спеченную заготовку, полученную одним из методов керамической технологии.

Промышленные пьезокерамические материалы и пьезокерамические — полимеры.

Материалы с различными свойствами подразделяются на марки (по составу и характеристикам) и на функциональные группы (по назначению).

Материалы функциональной группы 1 применяются для изготовления высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний.

Материалы функциональной группы 2 предназначены для пьезоэлементов, эксплуатирующихся в условиях сильных электрических полей или высоких механических напряжений.

Рассмотрим теперь свойства пьезокерамики различных типов.

Материалы на основе титаната бария. Титанат бария является сегнетоэлектриком.

Пьезокерамика титаната бария (ТБ-1) широко применяется для изготовления преобразователей, к которым не предъявляют жесткие требования по температурной и временной стабильности характеристик.

Отсутствие в рецептуре титаната бария летучих при обжиге компонентов и простота технолигии изготовления пьезоэлементов делают этот материал по прежнему распространенным в технике.

Материалы на основе тверды растворов титаната — цирконата свинца. Твердые растворы титаната свинцаобладабт очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик. На основе этих твердых растворов были разработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условное наименование ЦТС (за рубежом PZT).

Технология изготовления изделий из материалов типа ЦТС усложнена тем, что они содержат в своем составе оксид свинца, который частично улетучивается при высокотемпературном обжиге, что приводит к плохой воспроизводимости свойств.

Поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов проводят в атмосфере паров оксида свинца, для чего заготовки помещают в плотно закрытые капсели, содержащие засыпку из оксидных соединений свинца.

Тем не менее, высокие характеристики этого типа материалов делают их весьма распространенными для изготовления пьезоэлектрических преобразователей различного назначения: для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, пьезометрии, а также и некоторых видов радиотехнических фильтров.

Материалы на основе метаниобата свинца. Твердые растворы метаниобатов свинца и бария имеют высокую температуру точки Кюри.

Технология изготовления изделей из них проще, чем из материалов марки ЦТС, так как входящие в состав ниобатной керамики оксид свинца практически не летуч при обжиге.

Пьезоэлектрики — полимеры. Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект.

Среди них практический интерес представляет поливинилиденфторид (ПВДФ). При вытяжке пленок из этого полимера на 300…

400% они ориентируются с образованием особой конформации, которая после поляризации в сильном электрическом поле приобретает пьезоэлектрический эффект.

Список литературы

Справочник по электротехническим материалам том 3

Источник: http://znakka4estva.ru/dokumenty/fizika-i-energetika/pezoelektriki/