Алфавитный указатель. Пьезоэлектрики: прямой и обратный пьезоэффект Применение пьезоэлектрического эффекта

План

Введение

1. Описание пьезоэлектрического эффекта

а) Кристаллическая структура эффекта

б) Модельное рассмотрение

2. Деформации кристаллов

3. Обратный пьезоэлектрический эффект

4. Физический механизм обратного пьезоэлектрического эффекта

5. Свойства пьезоэлектрических кристаллов

6. Применение эффекта

Заключение

Литература

Введение

Тема моей курсовой работы «Пьезоэлектричество». Я выбрал эту тему, потому что пьезоэлектричество представляет собой интересное явление. До сих пор мы рассматривали поляризацию диэлектриков, вызванную внешним электрическим полем. В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление, открыто в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название «пьезоэлектрического эффекта». В наше время пьезоэлектричество нашло свое применение в различных видах деятельности человека. Я попытался побольше узнать о природе этого явления и его применении. Еще одной причиной послужившей выбору именно этой темы, стало то, что данный эффект применяется во многих приборах таких как микрофоны, телефоны, гидрофоны.

Для изучения данной темы я использовал следующую литературу: С.Г. Калашников «Электричество», Д.В. Сивухин «Общий курс физики: Электричество Том 3»,

1. Описание пьезоэлектрического эффекта

Во многих кристаллах при растяжении и сжатии в определенных направлениях возникает электрическая поляризация. В результате этого на их поверхностях появляются электрические заряды обоих знаков. Это явление, получившее название прямого пьезоэлектрического эффекта. Оно наблюдалось затем на кристаллах турмалина, цинковой обманки, хлората натрия, винной кислоты, тростникового сахара, сегнетовой соли, титаната бария и многих других веществ. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Если кристаллические решетки положительных и отрицательных ионов, из которых построены такие кристаллы, под действием внешних сил деформируются по-разному, то в противоположных местах на поверхности кристалла выступают электрические заряды разных знаков. Это и есть пьезоэлектрический эффект. При однородной деформации пьезоэлектрический эффект наблюдается при наличии в кристалле одной или нескольких полярных осей (направлений). Под полярной осью (направлением) кристалла понимают всякую прямую, проведенную через кристалл, оба конца которой неравноценны, т. е. невзаимозаменяемые. Иными словами, при повороте кристалла на 180° вокруг любой оси, перпендикулярной к полярной, он не совмещается сам с собою. Вообще, для существования пьезоэлектрического эффекта при однородной деформации необходимо отсутствие, у кристалла центра симметрии. Действительно, если бы недеформированный кристалл имел центр симметрии, то последний сохранился бы и при однородной деформации кристалла. С другой стороны, в электрически поляризованном кристалле есть особое направление, а именно направление вектора поляризации. При наличии такового кристалл не может иметь центр симметрии. Получившееся противоречие и доказывает наше утверждение. Из 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. У одного из них, однако, сочетание других элементов симметрии делает пьезоэлектрический эффект также невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства наблюдаются у 20 кристаллических классов.

а) Кристаллическая структура эффекта

Рассмотрим пьезоэлектрический эффект на примере кристалла кварца - важнейшего пьезоэлектрического кристалла, нашедшего широкие научно-технические применения благодаря своим превосходным механическим и электрическим свойствам. При обычных температурах и давлениях кварц встречается в так называемой

- модификации. Кристалл -кварца (рис. 1) относится к тригональной системе и имеет три оси симметрии второго порядка, обозначенные на рис. 1 через , , .

Они и являются полярными осями кристалла. Каждая из них соединяет противоположные, но неравнозначные ребра шестигранной призмы. Неравнозначность этих ребер видна из того, что к краям одного из них примыкают маленькие грани, обозначенные на рисунке буквами aи b, тогда как у краев другого ребра таких граней нет. Четвертая ось

является осью симметрии третьего порядка. Ее называют оптической осью, так как поворот кристалла вокруг этой оси на любой угол не оказывает никакого влияния на распространение света в кристалле.

При механических воздействиях на кристалл кварца на концах полярной оси (точнее, на перпендикулярных к ней гранях) появляются противоположные электрические заряды. Не обязательно, чтобы приложенные внешние силы действовали в направлении рассматриваемой полярной оси. Необходимо лишь, чтобы в результате действия внешних сил возникало растяжение или сжатие вдоль этой оси.

При температуре до 200 °С пьезоэлектрические свойства кварца практически не зависят от температуры. С дальнейшим повышением температуры пьезоэлектрический эффект медленно убывает. При 576 °С

-кварц претерпевает фазовое превращение и переходит в -модификацию. Кристаллы -кварца относятся к гексагональной системе, а потому пьезоэлектрические явления в них не наблюдаются в согласии с тем, что было сказано выше. При обратном понижении температуры первоначальная структура кварца восстанавливается, причем это восстановление происходит при температуре, несколько более низкой, чем исходная (гистерезис). Ниже всюду речь идет об - кварце.

б) Модельное рассмотрение

Возникновение пьезоэлектрического эффекта легко понять с помощью модельного рассмотрения, предложенного Мейсснером . Химическая формула кварца имеет вид

. Его кристаллическая решетка состоит из положительных ионов кремния и отрицательных ионов кислорода. Каждый ион кремния несет четыре, а каждый ион кислорода - два элементарных заряда. В первом приближении можно представить, что ионы кремния и кислорода расположены в шестигранных ячейках, одна из которых изображена на рис. 2, если смотреть на кристалл вдоль оптической оси (перпендикулярной к плоскости рисунка). Ионы кремния изображены большими шариками 1,2,3, ионы кислорода - маленькими. Те и другие ионы расположены по спирали, направление вращения которой определяется тем, какой взят кварц: левый или правый (рис. 1 и 2 относятся к левому кварцу). Ион кремния 3 лежит несколько глубже иона 2, а ион 2 - глубже иона 1. Расположение ионов кислорода не требует дополнительных разъяснений. В целом ячейка электрически нейтральна и не имеет дипольного электрического момента.

Для упрощения рассуждений заменим каждую пару соседних ионов кислорода одним отрицательным ионом с удвоенным зарядом. Мы придем к упрощенной модели ячейки, изображенной на рис. 3а). Если подвергнуть такую ячейку сжатию вдоль полярной оси

(рис. 3б)), то ион кремния 3 и ион кислорода 4 вклинятся между окружающими их боковыми ионами. В результате на плоскости А пластинки появится отрицательный, а на плоскости В- положительный заряды (продольный пьезоэлектрический эффект). При сжатии в боковом направлении, т.е. перпендикулярно к полярной и оптической осям (рис. 3в)), ионы кремния 1 и 2 получают одинаковые, но противоположно направленные смещения внутрь ячейки. Так же ведут себя ионы кислорода 5 и 6.

При этом сохраняется симметрия ячейки относительно плоскости, проходящей посередине между плоскостями С и D, и на этих плоскостях не возникает никаких зарядов. Однако ион кремния 3 и ион кислорода 4 смещаются наружу. Благодаря этому возникает дипольный момент, направленный в положительную сторону полярной оси

. На плоскости А появляется положительный, а на плоскости В - отрицательный заряды (поперечный пьезоэлектрический эффект). Знаки зарядов в продольном и поперечном эффектах, таким образом, противоположны. Из рассматриваемой модели видно также, что замена сжатия растяжением приводит к изменению знаков электрических зарядов при пьезоэлектрическом эффекте и что поляризация пропорциональна деформации кристалла (когда деформации малы). А так как между деформацией и силой согласно закону Гука (1635-1703) существует прямая пропорциональность, то поляризация кристалла при пьезоэлектрическом эффекте должна быть пропорциональна также приложенной силе. Наконец, из модели видно, что сжатие или растяжение кристалла в направлении оптической оси никакими пьезоэлектрическими эффектами не сопровождается. Все эти заключения подтверждаются опытом.

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение по­ляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металли­ческие обкладки, укрепленные на кри­сталле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляри­зуется и деформируется.

Легко видеть, что необходимость су­ществования обратного пьезоэффекта сле­дует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта. Рассмотрим пьезоэлектрическую пластин­ку (рис. 5) и предположим, что мы сжима­ем ее внешними силами F. Если бы пьезо­эффекта не было, то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть силы обратного пьезоэффекта. Из приведенных рассуждений вытекает связь между знаками обоих эффектов. Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях одинаковы, то знаки деформаций различны. Если при сжатии пла­стинки на гранях появляются заряды, указанные на рис. 5, то при создании такой же поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться.

Рис.5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией. Однако оба эти явления различны. Пьезоэффект зависит от направления поля и при изменении направ­ления последнего на противоположное изменяет знак. Электрострикция же не зависит от направления поля. Пьезоэффект наблю­дается только в некоторых кристаллах, не обладающих центром симметрии. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как твердых, так и жидких.

Если пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла:

где  - тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напря­жения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием элек­трического поля. Оно равно

Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения (мо­дуль Юнга) при постоянном электрическом поле. Формулы (51.2) и (52.2) являют­ся основными соотношениями в теории пьезоэлектричества.

При написании формул мы выбирали u и Е в качестве незави­симых переменных и считали D и s их функциями. Это, конечно, необязательно, и мы могли бы считать независимыми переменными другую пару величин, одна из которых - механическая, а другая - электрическая. Тогда мы получили бы тоже два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В за­висимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основ­ных пьезоэлектрических соотношений.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные , С и  зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (за­висят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о поряд­ке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, ког­да пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны:

=4,5; С=7,8 10 10 Н/м 2 ; =0,18 Кл/м 2 .

Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5) Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше, растягивает­ся вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты. Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно определению элек­трического смещения это значит, что D=0. Тогда из соотношения (4) следует, что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью

E=-(/0)u (6)

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для

механического на­пряжения в пластинке

s=Cu-(-(/0)u)=C(1+( 2 /0C))u (7)

Напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта, пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффек­тивным модулем упругости

С" == С (1 +  2 /0С). (8)

который больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавоч­ного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной

К 2=  2 /0C (9)

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой электромехани­ческой связи Пользуясь приведенными выше значениями , С и , находим, что для кварца К 2 ~0.01 Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов К 2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0,1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое на­пряжение 1 105 5 Н/м 2 . Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1,3 10 - 6 . Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59 В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0,5 см напряжение между обкладками будет равно U=Еd~30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно полу­чать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный) широко при­меняется для устройства различных электромеханических преоб­разователей. Для этого иногда используют составные пьезоэлементы, предназначенные для осуществления деформаций разного типа.

На рис.6 показан двойной пьезоэлемент (составленный из двух пластинок), работающий на сжатие. Пластинки вырезаны из крис­талла таким образом, что они одновременно либо сжимаются, либо растягиваются. Если, наоборот, сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами, то между его обкладками появ­ляется напряжение. Соединение пластинок в этом пьезоэлементе соответствует параллельному соединению конденсаторов.

Рис. 6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария, цинковой обманке и других веществах. Пьезоэлектрический эффект в кварце происходит вдоль электрических осей X 1 , X 2 , X 3 кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный. Этот эффект имеет большое значение для получения ультразвука.

Пьезоэлектрики - это такие кристаллы, в которых под влиянием однородной деформации возникают дипольный момент, а значит, и электрическое поле, пропорциональные деформации. Наличие пьезоэлектрических свойств тесно связано с симметрией кристалла.

Пьезоэлектрики были открыты еще во второй половине XIX века, но нашли свое применение только в годы Первой мировой войны, когда на их основе были разработаны сонары (от англ. so na andr -- звуковая навигация и определение дальности) для обнаружения подводных лодок. Успешная реализация этого проекта привела к новым применениям пьезоэлектриков. Так были созданы головки для патефонов -- первых звукопроигрывающих устройств, пьезоэлектрические зажигалки, кварцевые часы и микрофоны.

Существуют и не совсем обычные применения пьезоэлектриков. Например, в Европе есть несколько ночных клубов, в танцпол которых встроены пьезоэлектрические генераторы, преобразующие танцевальные вибрации в электричество, которого достаточно для питания осветительных ламп, так как каждый танцор генерирует 5-10 Ватт мощности (см. видеоролик Sustainable Dance Club). Подобная технология применяется ив одном из фитнес-залов Гонконга, где часто проходят тренировки по шейпингу, боксу и бодибилдингу. Уже создано несколько так называемых «эко-клубов», обеспечивающих себя электричеством на 60% за счет пьезоэлектриков, вмонтированных в пол и в барную стойку. Еще дальше пошли в Израиле. В январе 2009 года там стартует пробный стометровый участок дороги со встроенными под асфальт пьезокристаллами. Израильские инженеры из фирмы Innowattech планируют получить до 40 киловатт мощности при четырехполосном движении.

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект, первоначально обнаруженный в природных материалах, таких как кварц, турмалин, Сегнетова соль и т. д., довольно слабый. По этой причине были синтезированы поликристаллические сегнетоэлектрические керамические материалы с улучшенными свойствами, такие как титанат бария BaTiO 3 и цирконат-титанат свинца PZT (аббревиатура формулы PbO 3 0 < x < 1), см. рис. 1.

пьезоэлектрик деформация кристалл

Рис. 1. Кристаллическая решетка PZT: (1) до и (2) после установления полярности

В PZT-кристалле отрицательные и положительные электрические заряды разделены, но при этом они распределены в объеме кристалла симметрично, что делает его электрически нейтральным. Чтобы подобная керамика стала пьезоэлектриком, необходимо «отрегулировать» полярность зарядов в кристаллической решетке. Для этого сквозь нагреваемую керамику пропускают сильное электрическое поле (> 2000 В/мм), которое приводит к нарушению симметрии в кристалле.

В пьезокристаллах заряды разных знаков формируют электрический диполь. Несколько близлежащих диполей формируют так называемые домены Вейса (Weiss domains). До установления полярности домены ориентированы произвольным образом. Под действием электрического поля и высокой температуры кристалл расширяется в направлении поля и сжимается по перпендикулярной оси. Это приводит к выстраиванию диполей вдоль приложенного электрического поля.

После выключения поля и остывания пьезокерамика обладает остаточной поляризацией. Если к кристаллу с отрегулированной полярностью приложить электрическое поле, домены Вейса начинают выравниваться вдоль поля, причем степень выравнивания зависит от приложенного электрического напряжения. В результате возникает изменение размеров пьезоэлектрического материала.

При механическом давлении симметрия распределения зарядов нарушается, приводя к разности потенциалов на поверхностях кристалла. Например, кварц объемом 1 см 3 при приложении силы 2 кН может произвести напряжение до 12500 В.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной симметрией. К наиболее распространенным в природе минералам-пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин. Пьезоэффектом обладают некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры). Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками .

Рис. 1

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механическую деформацию (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию, т.е появление на его поверхностях электрических зарядов разных знаков (рис.1а, F - действующие силы, Р - вектор электрической поляризации). При противоположном направлении механических сил меняются знаки зарядов (рис.1б). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

Рис. 2

Но пьезоэффект обратим . При воздействии на пьезоэлектрик электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические деформации (рис.1в). При изменении направления электрического поля соответственно изменяются деформации (рис.1 г). Это явление получило название обратного пьезоэффекта (рис.2б) .

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд. В отсутствие внешнего электрического поля эта поляризация не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и соответственно изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности. Именно это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и от характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 0,23 мкм. Незначительность деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением g:

Р=αg (1).

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности α называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем). Он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

r=αE (2),

где r - деформация;

Е - напряженность электрического поля.

Рис. 3

Пьезомодуль α для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического элемента, закрепленного на металлическом диске (рис.3). Вибрация диска вызвана приложенным к нему напряжением. Переменное напряжение определенной частоты создает звуковой сигнал. Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции, имеют малое энергопотребление, у них отсутствуют электрические шумы. С помощью пьезокерамики удается получать значительную громкость звука. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1 м до 130 дБ (уровень болевого порога)

Рис. 4

Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях:

- “чистые” преобразователи (без схемы управления) - пьезозвонки;
- излучатели со схемой управления (с встроенным генератором) - оповещатели.

Чтобы преобразователи первого типа генерировали звуки, необходимы сформированные управляющие сигналы (синусоида или меандр определенной частоты, указанной для конкретной модели преобразователя). Излучатели со встроенным генератором требуют подачи только определенного уровня напряжения. Такие устройства выпускаются на номинальные напряжения от 1 до 250 В (постоянного и переменного тока).

Например, пьезокерамический звонок (пьезозуммер) ЗП-1 (рис.4) состоит из двух пьезоблоков, мембрана каждого из которых выполнена в форме неглубокой тарелки с внешним диаметром 32 мм. Тарелки сложены встречно и пропаяны по внешней границе. Пьезоэлементы в звонке скоммутированы таким образом, что при подаче переменного напряжения поверхности тарелок либо сходятся, либо расходятся, т.е. с обеих сторон звонка образуются зоны сжатия и разрежения. Резонансная частота звонка-2 кГц.

Рис. 5

Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В. Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезоизлучателей, внешний вид которых показан на рис.5 . На рис.6 представлены амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов: ПВА-1 - рис.6а и ЗП-5 - рис.6б.

Табл.1 характеристики пьезоизлучателей

Тип	Звуковое давление, ДБ	Рабочее напряжение,	Резонансная частота, кГц	Размеры, мм
				Диаметр	Высота
ЗП-1			1...3
ЗП-3			4,1 ±0,05	42,7
ЗП-4			4,1±0,05
ЗП-5			1...3
ЗП-6			4,1±0,05
ЗП-18			4,1 ±0,05
ЗП-19
ЗП-22*			1 ...3,5
ЗП-25			4,1 ±0,05
ЗП-31
ПВА-1
ППА-1

Примечание: * - предназначен для работы в автоколебательном режиме.

Рис. 6, амплитудно-частотные характеристики пьезоэлементов

А.Кашкаров

Содержание:
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрики - монокристаллы
Кварц
Турмалин
Сегнетова соль
Дигидрофосфат аммония
Виннокислый калий
Ниобат лития
Поликристаллические пьезоэлектрики
Пьезоэлектрические текстуры
Пьезоэлектрическая керамика
Особенности технологии изготовления керамических пьезоэлементов
Промышленные пьезокерамические материалы и пьезоэлектрики - полимеры
Материалы на основе титаната бария
Материалы на основе твердых растворов титаната - цирконата свинца
Материалы на основе метаниобата свинца
Пьезоэлектрики - полимеры

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.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.

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. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.

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:

Где Pi - компонент вектора поляризации; dir - пьезомодуль; Tr - компонент механического напряжения.

Уравнение обратного пьезоэффека записывается так:

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

Кварц. Кварц - широко распростронённый в природе минерал, ниже температуры 573 по Цельсию кристаллизуется в тригонально-трапецоэдрическом классе гексагональной сингонии. Он принадлежит к энантиоморфному классу и встречается в природе в двух модификациях: правой и левой.

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).

Турмалин. Турмалин кристаллизуется в тригонально-пирамидальном классе тригональной сингонии. Кристаллы призматические с продольной штриховкой, удлиненные, часто игольчатой формы.

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.

Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.

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.

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

Ниобат лития. Ниобат лития - синтетический кристалл, кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии.

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.

Пьезоэлектрическая керамика. Сегнетоэлектрические свойства таких материалов обуславливают возможность пьезоэлектрического эффекта. Под влиянием постоянного электрического поля некоторая часть доменов ориентируется в направлении приложенного поля. 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. Материалы функциональной группы 3 применяются для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью резонансных частот в зависимости от температуры и времени, а функциональной группы 4 - для высокотемпературных пьезоэлементов.

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. Материалы на их основе имебт стабильные в широком температурном интервале значения пьезмодулей и резнансных частот. 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.

Использованная литература:

Справочник по электротехническим материалам том 3