Пьезоэлектрики

При поляризации, вызванной приложенным электрическим по­лем, все диэлектрики несколько изменяют свои геометрические раз­меры — образец деформируется. Это явление называется электро- стрикцией. Величина деформации образца (А 1/1) обычно очень мала, пропорциональна квадрату напряженности поля и не зависит от на­правления его вектора:

Д/// = Х£², (7.4)

где % — электрострикционный коэффициент.

Если к диэлектрику ионного строения симметричной формы (например, NaCl) приложить электрическое поле, то его положи­тельные ионы сместятся по полю, а отрицательные — против поля; возникнет поляризация и деформация (электрострикция) образца (рис. 7.9, а). Если же этот образец (из-за своей симметричной фор­мы, не обладающий, как будет показано ниже, пьезоэффектом) под­вергнуть механической деформации, например растяжению, то чис­ло зарядов (ионов) одного и другого знака, сместившихся в одном направлении, будет одинаковым, поэтому заряд на противополож-

1/2 А/

1/2 А/

Г

$ ©© ©© ©© а; ©@ ©е ©@ ©@! I® ©© ©© ©е е! I ©@ ©@ ©@ ©е! I® ©Ф ©@ ©© е|

L. ©©__©©_ ©©_©_©_;

!@©е©@©@©|!©©©ф©©©@;

Gp 0©0@0Ф9 G

!© 0 © © © 0 © • I

Е©@©0©! «©©©©©©©©!

Е

б

Рис. 7.9. Схематическое изображение состояния зарядов и геометрических размеров образца диэлектрика, не обладающего пьезоэффектом: под действием электрического напряжения (наблюдаются поляризация и электрострикция) (а), механического напря­жения (б)

ных гранях образца не образуется (см. рис. 7.9, б). Следовательно, явление электрострикции необратимо, т. е. у большинства веществ деформация образца, вызванная механическим напряжением, не приводит к его поляризации.

Однако существуют такие диэлектрики, которые поляризуются в отсутствие электрического поля под действием механического напряжения. Это явление было открыто в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри и получило название пьезоэлектрический эффект (от греч. «пьезо» — «давить»).

Пьезоэлектрический эффект — это явление, когда под действием механического напряжения (или деформации) происходит электриче­ская поляризация диэлектрика и образование на его поверхности элек­трических зарядов. Такой эффект позже был назван прямым пьезо­электрическим эффектом. Диэлектрики с сильно выраженным пье­зоэлектрическим эффектом называют пьезоэлектриками.

Наблюдается пьезоэффект только у ряда твердых анизотропных кристаллических диэлектриков, не имеющих центра симметрии, в результате их деформации. Например, некоторые ионные кристаллы состоят из двух или более простых решеток, каждая из которых по­строена из ионов одного знака (+ или —). Эти простые решетки «вдвинуты» одна в другую. В таких кристаллах под действием прило­женного механического напряжения наблюдаются два типа дефор­мации: 1 — деформируется каждая элементарная решетка; 2 — может произойти сдвиг элементарных решеток друг относительно друга. Сдвиг простых решеток и вызывает пьезоэлектрический эффект. Де­формация сдвига простых решеток произойдет только в том случае, если, как отмечалось выше, элементарные ячейки не имеют центра симметрии. Например, CsCl имеет центр симметрии, а кварц, турма­лин, сегнетоэлектрики — не имеют, поэтому пьезоэффект будет только у последних трех диэлектриков.

а

Пьезоэлектрический эффект обратим. Различают прямой и об­ратный пьезоэффекты (рис. 7.10). Прямым пьезоэлектрическим эф-

Рис. 7.10. Иллюстрация прямого (а)и обратного (б)пьезоэффектов

фектом называют возникновение поляризации диэлектрика и обра­зование на его поверхности электростатических зарядов в результате воздействия механического напряжения. Возникающая при этом по- ляризованность диэлектрика Р, Кл/м², и поверхностные электриче­ские заряды плотностью а, Кл/м², будут прямо пропорциональны приложенному механическому напряжению <?, Н/м²:

Р = dG, (7.5)

а = dG, (7.6)

где d — коэффициент пропорциональности, называемый пьезомоду- лем, Кл/Н.

Пьезомодуль численно равен заряду, возникающему на единице поверхности образца при приложении к нему единицы давления [(Кл/м²)/(Н/м²) = Кл/Н]. Его величина у используемых на практике пьезоэлектриков равна порядка Ю~¹⁰—10~¹² Кл/Н. Изменение знака G в формулах (7.5) и (7.6) (замена растяжения сжатием) приводит к изменению знака а и Р, т. е. вызывает переполяризацию.

При обратном пьезоэффекте происходит механическая деформа­ция кристалла под действием приложенного электрического поля. При этом величина механической деформации (А 1/1) будет пропор­циональна напряженности электрического поля Е:

А/// = dE, (7.7)

а его знак зависит от направления поля Е. Не следует смешивать об­ратный пьезоэлектрический эффект с явлением электрострикции. При электрострикции между деформацией и напряженностью поля существует квадратичная зависимость (см. формулу (7.4)), и дефор­мация не зависит от направления поляризующего поля. При обрат­ном пьезоэффекте зависимость между напряженностью поля и деформацией линейная (см. формулу (7.7)) и, что очень важно, из­менение знака деформации (растяжение, сжатие) следует за измене­нием направленности поля (рис. 7.11). Электрострикция возникает у всех диэлектриков, в том числе газообразных и жидких, пьезоэф- фект — только в анизотропных кристаллах, не имеющих, как указы­валось выше, центра симметрии.

в

Рис. 7.11. Схематическое изображение поляризации и деформации пьезоэлектрика в переменном электрическом поле (б); изменение деформации образца (я); изменение электрического напряжения (в)

Для характеристики пьезоэффекта у пьезоэлементов определен­ной конструкции, наряду с пьезомодулем, часто используют коэффи­циент электромеханической связи к, который определяется выраже­нием:

для прямого пьезоэффекта — к = ^JlV₃ / W, (7.8)

для обратного пьезоэффекта — к = _лJW_M /W, (7.9)

где W — вся энергия, затрачиваемая на деформацию (IV = fV_M + JVJ; W₃ — электрическая энергия, генерируемая пьезоэлементом; W_u — энергия механической деформации. При этом W₃ = CU²/!, W = C_CBU²/2, a W_u = W — W₃, где С_св — кажущаяся емкость свободно деформируемо­го пьезоэлемента, которая больше обычной емкости С (С_св > С), опреде­ляемой по его диэлектрической проницаемости е. Численные значения к, найденные с помощью (7.8) и (7.9) для данного пьезоэлемента, рав­ны. Коэффициент электромеханической связи также используется для характеристики пьезоэлектрических свойств материалов.

Каждый пьезоэлектрик является электромеханическим преобразо­вателем. Например, если пьезоэлектрик поместить в переменное элек­трическое поле, то амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного поля. При совпадении частоты поля с собст­венной (резонансной) частотой пьезоэлектрика амплитуда приобрета­ет максимальное значение (см. рис. 7.11).Прямой пьезоэффект ис­пользуют в технике для преобразования механических напряжений или деформаций в электрические сигналы (звукосниматели, датчики деформаций, приемники ультразвука и др.). Обратный пьезоэффект используют для преобразования электрических сигналов в механиче­ские (акустические излучатели, генераторы ультразвука и др.).

В настоящее время известно свыше тысячи соединений, обла­дающих пьезоэффектом. Однако на практике в качестве пьезоэлек- триков используют ограниченное число материалов, которые под­разделяют на монокристаллические пьезоэлектрики, пьезокерамику (поликристаллические) и полимерные пьезоэлементы.

Монокристаллические пьезоэлектрики. Важное место среди них занимает монокристаллический кварц — природный или выращен­ный искусственно. Природный кварц прозрачный и бесцветный. Механическая нагрузка в 1 кгс/см² на пластину кварца обусловлива­ет возникновение разности потенциала в 0,06 В. Из монокристалла кварца под строго определенным углом к кристаллографическим осям выпиливают пластины. Затем поверхности пластин шлифуют, полируют и наносят на них металлические электроды методом напы­ления металла в вакууме, химического осаждения или вжигания. Пластина кварца с нанесенными на нее электродами и держателем представляет собой резонатор (электромеханический преобразова­тель) с очень малым tg5 (tg5 ~ Ю^-4) и высокой механической доброт­ностью Q_M (для обычных образцов Q_M = 10⁴—10⁶, а для лучших кри­сталлов до 10⁷). Если на резонатор подать переменное напряжение, то при частоте электрических колебаний, совпадающей с одной из собственных механических частот кварца, наступает механический резонанс, и в пластине возникают очень сильные механические ко­лебания строго определенной частоты (см. рис. 7.11). Такие кварце­вые пластины являются мощным излучателем волн сверхзвуковой частоты и используются в различной технике, например в качестве стабилизаторов частоты, а также в медицине, биологии.

Кроме монокристаллического кварца, в различных пьезопреоб- разователях используют монокристаллические: сульфат лития, сегне- тову соль, ниобат и танталат лития, — имеющие более высокие, чем кварц, пьезомодули и коэффициенты электромеханической связи. Фильтры из LiNb0₃ и LiTa0₃ имеют большую широкополосность при меньших габаритах, чем из кварца, а механическая добротность сохраняет у них высокие значения (10⁵—10⁶) до СВЧ-диапозона, то­гда как у кварца она снижается до 100 МГц до 10⁵.

Пьезокерамика. Обычная керамика на основе сегнетоэлектри­ков — сегнетокерамика изотропна и поэтому не обладает пьезоэф­фектом. Для придания сегнетокерамике пьезоэлектрических свойств ее поляризуют — выдерживают в сильном (Е = 2—4 МВ/м) посто­янном электрическом поле при температуре 100—150°С в течение обычно около одного часа. После снятия поля в керамике сохра­няется остаточная поляризация, так как векторы спонтанной по­ляризованное™ части доменов остаются ориентированными в направлении, близком к направлению электрического поля. Эта на­правленность доменов закрепляется свободными зарядами противо­положных знаков. Керамика становится текстурированной — из изо­тропного состояния превращается в анизотропное; у нее появляется пьезоэффект. Поляризованная сегнетокерамика и называется пьезо- керамикой.

Широкое применение для изготовления пьезопреобразователей нашла пьезоэлектрическая керамика, изготовленная в основном из твердых растворов цирконата — титаната свинца (ЦТС) PbZr0₃— PbTi0₃. Ее преимущество перед монокристаллами — возможность изготовления активных элементов сложной формы и любых разме­ров. Недостаток заключается в том, что из-за высоких значений е и tg5 механических потерь пьезокерамику трудно, а часто невозможно применять на частотах свыше 10 МГц. На ВЧ и СВЧ можно исполь­зовать только монокристаллические пьезоэлектрические материалы: кварц, турмалин, ниобат и танталат лития и некоторые другие. Ис­пользуют пьезокерамику для изготовления малогабаритных микро­фонов, датчиков давлений, деформаций, вибраций, детонаторов, ли­ний задержки и др.

Полимерные пьезоэлектрики. У некоторых полимерных материа­лов в виде пленок, ориентированных (текстурированных) путем вытяжки и поляризованных в постоянном электрическом поле, на­блюдается пьезоэффект. Практический интерес представляет поли- винилиденфторид (ПВДФ) (-СН₂—CF₂—)п. Пленки ПВДФ при вытяжке на 300—400 % ориентируются с образованием особой кон- формации полимерных цепей. Такие пленки после поляризации в сильном электрическом поле приобретают пьезоэффект; они име­ют близкие по своим значениям к пьезокерамике пьезомодуль d (d~ 10~¹²— Ю^-11 Кл/Н) и коэффициент электромеханической связи к (к ~ 0,12—0,15). Относительно низкая плотность (примерно в четыре раза меньше, чем у керамики) и высокая гибкость пленок делают по­лимеры перспективным материалом в производстве пьезоэлектриче­ских преобразователей.

Дата добавления: 2015-08-09