Лекция 7. Пьезокерамические материалы и электреты

Пьезокерамические материалы относятся к активным диэлектрикам, им свойственны прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой пьезоэффект заклю-чается в том, что при сжатии или растяжении пластинки пьезоэлектрического материала на ее противоположных поверхностях наводятся электрические за- ряды противоположного знака (рисунок 7.1-а). Это происходит в результате поляризации пьезоэлектрика. Обратный пьезоэффект заключается в том, что при приложении к пластинке пьезоэлектрика постоянного напряжения она деформируется. Под действием переменного напряжения пластинка пьезо-электрика колеблется с частотой приложенного напряжения.

Явление обратного пьезоэффекта используется в радиотехнике для ста-билизации ВЧ-колебаний генераторов, прямого пьезоэффекта – в датчиках давления, микрофонах и др. Основной характеристикой пьезоэлектрика явля- ется пьезомодуль d, выражающий отношение наведенного электрического за- ряда к механическому усилию. Пьезомодуль выражают в кулонах на ньютон.

Природный кварц SiO₂ представляет собой полупрозрачные кристаллы в виде шестигранных призм, заканчивающихся шестигранными пирамидами. В кристалле кварца различают главные оси x, y, z (рисунок 7.1-б).

а) б)

Рисунок 7.1 – Прямой и обратный пьезоэффекты (а), монокристалл кварца с главными осями (б)

Электрические характеристики кварца изменяются в зависимости от направления кристаллографической оси, по которой их определяют. Так в направлении оси z: ρ _V ≈ 10¹² Ом·м; ε_r = 4,58; tgδ = 0,0003 и в направлении оси x или y: ρ _V ≈ 10¹⁴ Ом·м; ε_r = 4,41; tgδ = 0,0002. Плотность 2650 кг/м³, температура плавления 1713°С.

Из кристаллов кварца алмазным инструментом вырезают пластины, рё-бра которых параллельны осям, затем их шлифуют. На противоположные

поверхности кварцевых пластин наносят металлические эдектроды. Наибольший пьезомодуль (d = 2,3·10^-12) имеют пластинки, имеющие повер-хности, перпендикулярные оси x.

Сегнетова соль Na KC₄ H₄O₆ х 4H₂ O является монокрислаллическим диэлектриком, плавящимся при 55°С и растворяющимся в воде. Пьезоэффект у сегнетовой соли наблюдается при кручении ее образца.

Характерные свойства сегнтоэлектриков следующие: большие значе-ния диэлектрической проницаемости, достигающие нескольких тысяч; зави- симость диэлектрической проницаемости от приложенного напряжения; определенный интервал рабочих температур – ниже точки Кюри (Т _К); нали-чие прямого и обратного пьезоэффекта; наличие электрического гистерезиса, т.е. отставания электрического заряда Q от приложенного напряжения U (ри-сунок 7.2-а).

а) б) в)

Рисунок 7.2

Керамические сегнетоэлектрики отличаются высокой нагревостойкос-тью и механической прочностью, негигроскопичностью и простотой техно-логии изготовления. Наибольшее практическое значение имеет титанат бария BaTiO₃. Это поликристаллический материал, получаемый по керамической технологии. Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры показана на рисунке 7.2-б. На графике отмечена температура Кюри Т _К, равная для этого материала 120°С. При температурах ниже точки Кюри титанат бария обладает всеми сегнетоэлектрическими свойствами, а при температуре выше Т _К сегнетоэлектрические свойства исчезают.

Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от напря- женности электрического поля Е изображена на рисунке 7.2-в. Возрастание диэлектрической проницаемости и, следавательно, емкости с увеличением приложенного напряжения наблюдается только у сегнетоэлектриков. Это свойство используется в диэлектрических (параметрических) усилителях.

Кроме титаната бария в настоящее время создано большое количество сегнетокерамических материалов: титанат кадмия CdTiO₃, титанат свинца Pb TiO₃, ниобат лития LiNbO₃ и др. Они отличаются друг от друга главным образом значениями температуры Кюри. Так, у титаната бария Т _К = +120°С, у титаната кадмия Т _К = - 223°С, у ниобата лития Т _К = +450°С. Наилучшими пьезосвойствами обладает твердый раствор цирконата свинца в титанате свинца Pb(Zr,Ti)O₃, называемый цирконатом-титанатом свинца (марка ЦТС). Сегнетоэлектрики применяют для изготовления малогабаритных низко-частотных конденсаторов на низкие напряжения, поскольку значения tgδ этих материалов относительно велики, а электрическая прочность мала.