книги из ГПНТБ / Яффе Б. Пьезоэлектрическая керамика

Б. ЯФФЕ У. КУК Г. ЯФФЕ

- н -

Третий том серии монографий по неметаллическим материалам. В нем подробно излагаются как основы физики, кристаллографии и физической химии пьезоке­ рамики, так и методы получения и основные характе­ ристики пьезокерамическпх материалов различных со­ ставов.

Книга, по стилю изложения напоминающая учеб­ ное пособие, предназначается для широкого круга чи­ тателей: специалистов, занимающихся получением и ис­ следованием пьезокерамики; инженеров, связанных с применением пьезокерамики; физиков, изучающих раз­ личные аспекты сегиетоэлектричества; студентов, аспи­ рантов и преподавателей соответствующих вузов.

Редакция литературы по новой технике

0315-173

Яффе Б ., Кук У ., Яффе Г. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИ ЧЕСКАЯ КЕРАМИКА

Редактор В. Н. Шемашша

Художник Г. В. Горичева. Художественный редактор Ю . С . Урманчеев. Технический редактор Н . И . Манохина. Корректор Е. В. Кочегарова

- о -

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Менее тридцати лет назад не только не было пьезоэлектриче­ ских керамических материалов, но и сама идея о возможности их существования могла показаться ученым и инженерам абсурдной ')• После обнаружения сегнето.электрических свойств у титаната бария все изменилось. Формально это было распространение уже известного явления еще на одно, отнюдь не новое вещество. Факти­ чески же было сделано крупнейшее открытие, приведшее к подлин­ ной революции в развитии учения о сегнетоэлектричестве и его при­ менениях*2). Это объясняется не только тем, что было найдено но­ вое и, как вскоре выяснилось, самое обширное семейство сегнето­ электриков и опровергнута общепринятая точка зрения о возмож­ ности существования сегнетоэлектрического эффекта лишь в струк­ турах с водородными связями. Не менее важным оказалось то, что впервые был получен сегнетоэлектрик в поликристаллическом виде,

притом по обычной керамической технологии.

Огромное значение этой технологической революции стало осо­ бенно ясным вскоре после того, как было установлено, что сегнетоэлектрическую керамику можно заполяризовать приложенным элек­ трическим полем, превращая ее таким образом в пьезоэлектриче­ ский материал. За этим открытием последовали бурный рост при­ менений сегнетоэлектриков и, как неизбежный результат, столь же бурное расширение их исследований. В конечном счете учение о сегнетоэлектричестве превратилось в крупный самостоятельный раздел чистой и прикладной физики твердого тела.

Применение керамических сегнетоэлектриков в прошедшую чет­ верть века развивалось, с одной стороны, в направлении использо­ вания их особых диэлектрических свойств в конденсаторной про­ мышленности, а с другой — в направлении использования их пре­

6 ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

ние — использование в оптоэлектронике управляемых оптических свойств прозрачных керамических сегнетоэлектриков. Наиболее многообразным и важным на сегодняшний день остается примене­ ние сегнетокерамики в пьезотехнике, причем диапазон применения чрезвычайно широк — от зажигалок и адаптеров до гидролокаторов и ракет.

По сжатости изложения и отбору лишь устоявшихся сведений книга ближе всего к учебному пособию. Благодаря тому, что ав­ торы не только сами внесли крупный вклад в развитие работ по пьезокерамике в СШ А , но и являются специалистами в разных областях, составляющих тр'иединый фундамент материаловедения

кристаллографии и физической химии пьезокерамики, так и методы получения и основные характеристики пьезокерамики важнейших составов.

Все изложение построено весьма логично и последовательно. За кратким изложением истории открытия сегнетозлектрических свойств у титаната бария идут главы, посвященные основным поня­ тиям и феноменологии пьезоэффекта и физическим основам изме­ рения электромеханических параметров пьезокерамики. Удачно написан методически важный раздел, в котором рассматриваются экспериментальные критерии сегнетоэлектрического состояния.

Последующие главы посвящены пьезоэлектрическим материа­ лам. Вслед за кратким введением описываются фазовая диаграмма твердого состояния и фазовые равновесия в системе вплоть до тем­ ператур плавления компонентов. Затем рассматриваются физико­ химические условия образования сегнетозлектрических соединений или твердых растворов и их физические (главным образом электро­ механические) свойства. При рассмотрении систем твердых раство­ ров авторы справедливо делают упор иа морфотропные границы, так как именно вблизи них находятся наиболее эффективные со­ ставы пьезокерамики. Далее следует глава, посвященная физиче­ ской интерпретации влияния гетеровалентных добавок, вакансий, образующихся при обжиге керамики, и других факторов на свой­ ства керамики. В последних главах излагаются краткие сведения о технологии получения пьезокерамики и некоторых ее важнейших применениях.

Завершает книгу очень ценное приложение, в котором приво­ дятся принятые в СШ А и широко используемые в ряде стран стан­ дарты на методы испытаний пьезокерамических материалов.

Публикуемая книга не лишена пробелов. Так, например, отсут­ ствуют сведения о весьма интересной в научном и практическом отношении системе ниобат натрия — титанат кадмия, характери­ зующейся повышенной упругой жесткостью, и о ряде других систем; даже не упомянут метод горячего литья под давлением, позволяю­ щий получать пьезокерамические элементы сложной геометриче­

ской формы; вне поля зрения авторов остался ряд перспективных режимов поляризации керамики. Недостаточно освещены важные для практики вопросы изменения характеристик керамики под дей­ ствием сильных электрических полей и больших механических на­ грузок, а также новые важные аспекты, например метод горячего прессования. Этот полулабораторный метод получения керамики с предельными характеристиками вырос в важную технологию полу­ чения специальной сегнетокерамики, и прежде всего оптически про­ зрачной керамики (оптокерамики), которая в ближайшее время найдет самое широкое применение. В последние годы были уточ­ нены и развиты некоторые исходные понятия физики сегнетоэлектричества, также не нашедшие четкого отражения в книге.

Пьезоэлектрическая керамика в течение обозримого периода времени, несомненно, останется важнейшим и незаменимым мате­ риалом для ряда областей техники. Можно предвидеть разработку более сложных (четырех-, пятикомпонентных и т. д.) составов вблизи морфотропных границ и использование новых модификато­ ров, что позволит не только улучшить необходимые свойства, но и упростить технологию получения пьезркерамических материалов. Не исключена возможность создания промышленно важных кера­ мик на основе титаната висмута, сульфоиодида сурьмы, ниобата лития и других широко используемых монокристаллических мате­ риалов.

Число издаваемых книг по вопросам получения, исследования свойств и различных применений пьезокерамики явно не соответ­ ствует все возрастающему потоку периодической литературы1). Опубликованные за последние годы книги и сборники ориентиро­ ваны на сравнительно узкий круг читателей, поэтому предлагаемый перевод первой книги по пьезокерамике, изданной в СШ А , заслу­ живает серьезного внимания. Следует указать, что в последних монографиях советских авторов имеется обширная библиография; кроме того, в ряде стран изданы специальные библиографические справочники по сегнетоэлектричеству.

Л. А. Шувалов

') См. список литературы в конце книги.

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРОВ

В публикуемой книге отражены точки зрения трех специали­ стов в разных областях — кристаллографа, керамиста и физика, на протяжении многих лет занимающихся пьезоэлектрическими ке­ рамическими материалами, и сделана попытка объединить трак­ товку пьезоэлектричества и сегнетоэлектричества в применении к керамике с полным обзором свойств пьезоэлектрических керамиче­ ских материалов, используемых в промышленности или перспектив­ ных для использования.

Описание этих материалов занимает большой объем книги, од­ нако некоторые из присущих им свойств или явлений рассмотрены очень кратко или не отражены вообще. В частности, к таким свой­ ствам относится температурная зависимость электропроводности, данные о которой довольно скудны и противоречивы. Кроме того, из обзора исключены полупроводниковые сегнетоэлектрики с положительным температурным коэффициентом электросопротив­ ления вблизи точки Кюри, такие релаксаторы, как SrTi03 с добав­ кой висмута, и конденсаторы на основе ВаТіО з с барьерным слоем. Все сведения об этих материалах предполагается изложить в отдельном томе этой серии, посвященном керамическим диэлек­ трикам.

В соответствии с замыслом в книге представлены особенно зна­ чительные, по мнению авторов, достижения в данной области. Как правило, ссылки даются на самые ранние работы, в доста­ точной мере отражающие сущность рассматриваемых явлений. По­ следующие работы, расширившие или подтвердившие более ранние результаты, вместе с тем могут быть неупомянуты. Дело в том, что литература в настоящее время весьма обширна и полную библио­ графию привести практически невозможно.

В книге приведены результаты исследований пьезоэлектриче­ ских и сегнетоэлектрических свойств различных материалов, нача­ тых одним из авторов (Г. Яффе) совместно с проф. У. Кэди и про­ должавшихся последовательно в фирме «Браш дивелопмент», кор­ порациях «Кливайт», «Голд» и осуществляемых в настоящее время в фирме «Вернитрон».

Б. Яффе У. Кук Г, Яффе

Г л а в а 1

ВВЕДЕНИЕ

Пьезоэлектрическим эффектом называется способность некото­ рых кристаллических материалов генерировать электрический за­ ряд, пропорциональный механическому напряжению. Этот эффект был обнаружен Пьером и Жаком Кюри в 1880 г. Вскоре было установлено, что подобные материалы должны также обладать и обратным пьезоэлектрическим эффектом, т. е. деформироваться пропорционально приложенному электрическому напряжению. Наиболее полный и содержательный обзор раннего периода изуче­ ния пьезоэлектрических кристаллов можно найти в классической монографии Кэди [1], являющейся настольной книгой исследовате­ лей, работающих в этой области.

Электрическое поле и поляризация описываются векторами, на­ правление которых обозначается стрелкой; механическое напряже­ ние и деформация описываются тензорами, не являющимися век­ торными величинами. Таким образом, для осуществления пьезо­ электрического взаимодействия необходимо, чтобы хотя бы одно направление в среде было полярным. Симметрия ряда кристалло­ графических классов допускает наличие у принадлежащих к ним кристаллов полярных направлений, у кристаллов же других клас­ сов и у изотропных тел такие направления в принципе отсутствуют. Поэтому пьезоэлектричество долгое время составляло лишь один из разделов физики монокристаллов. Если бы новый термин пьезо­ электрическая керамика появился в 1944 г., то физику он пока­ зался бы внутренне противоречивым. Теперь мы знаем, что полярность, необходимую для придания материалу. пьезоэлектри­ ческих’ свойств, можно придать на более или менее длительное время и первоначально изотропной поликристаллической керамике, если приложить к ней на некоторое время сильное электрическое поле. Этот процесс, называемый поляризацией, аналогичен про­ цессу намагничивания постоянного магнита. Однако сначала связь между пьезоэлектричеством и симметрией монокристаллов каза­ лась настолько очевидной, что такую аналогию с магнитом даже было трудно осознать. Имелось лишь несколько разрозненных экс­ периментальных наблюдений реального или кажущегося пьезо­ электрического эффекта в некристаллических средах — древесине, черном дереве и поляризованных восках (электретах), но эти