7.3. П′єзоелектричні матеріали і п'єзоелементи

7.3.1. П'єзоматеріали

П'єзоелектричні монокристали (наприклад, кварц, ніобат літію та ін.) застосовують у перетворювачах для дефектоскопів у дуже рідкісних випадках. Перевагою п'єзоелектричних монокристалів є їх висока добротність ( ) і низька відносна діелектрична проникність (для кварцу ), що дозволяє використовувати їх в частотозадавальних ланцюгах, проте малий коефіцієнт електромеханічного зв'язку ( ) і відносна дорожнеча обмежують їх застосування в дефектоскопії.

За високої добротності кварц (я і інші монокристалічні перетворювачі) має низьку чутливість за межами резонансу і не придатний для роботи в смузі частот,крім того він має ще й великий імпеданс. Основні п′єзокристали і їх хімічні компоненти: -кварц Х-зрізу (SiO₂); ніобат літію (LiNbO₃); ніобат барію і натрію (Ba2NaNb5O₁₅); титанат свинцю (PbTiO3); метаніобат свинцю (PbNb2O6) та ін.

Для збудження і приймання акустичних коливань в ультразвуковій дефектоскопії та інтроскопії тепер застосовують переважно п’єзокераміку, тим паче, що технологія виготовлення керамічних п’єзоелементів дозволяє одержувати їх будь-якої форми і розмірів. П’єзокерамічні матеріали залежно від основних хімічних компонентів і їх процентного складу поділяють на марки і функціональні групи (дод. Д, табл. Д.1).

До першої функціональної групи входять матеріали, використовувані для виготовлення високочутливих п’єзокерамічних елементів, що працюють у режимі приймання і (або) випромінювання за відносно малих робочих температур (ТБ-1  до 60 °С, ЦТС-19 – до 200 °С, ЦТСНВ-1  до 120 °С).

До другої функціональної групи входять матеріали, використовувані для виготовлення п’єзокерамічних елементів, які працюють у режимі приймання і (або) випромінювання в умовах сильних електричних полів і (або) механічних напружень за відносно малих робочих температур (60…150) °С .

До третьої функціональної групи входять матеріали, використовувані для виготовлення п’єзокерамічних елементів, що мають підвищену стабільність частотних характеристик у заданому інтервалі температур і в часі для частотно-селективних пристроїв на об'ємних хвилях. Діапазон робочих температур становить (85…200) °С.

Четверта функціональна група охоплює матеріали, використовувані для виготовлення п’єзокерамічних елементів, які працюють за температури понад 250 °С і мають підвищену стабільність п’єзоелектричних характеристик у заданому інтервалі температур і (або) механічних напружень.

Зі всіх п’єзокерамічних матеріалів найбільшого поширення набула п’єзокераміка на базі цирконаттитанату свинцю (ЦТС). Як видно з таблиці, ЦТС фігурує у всіх функціональних групах.

Основні марки п’єзокерамічних матеріалів та їх основні хімічні компоненти: ТБ  титанат барію; ЦТС  цирконат-титанат свинцю; ЦТСНВ  цирконат-титанат свинцю, натрію, вісмуту; ТБК  титанат барію-кальцію; НБС  ніобат барію-свинцю; ЦТБС  цирконат-титанат барію-свинцю; ЦТССт  цирконат-титанат свинцю-стронцію; ТБКС  титанат барію-кальцию-свинцю.

Керамічні елементи можна не тільки випікати з подрібненого п′єзоматеріалу, але й виготовляти з пасти із застосуванням електрично непровідних рідин. Ця паста за тривалої дії напруги також стає п’єзоелектричною (лінеаризується електрострикція). Такі пастоподібні перетворювачі можна накладати безпосередньо на контрольований електропровідний об'єкт без використання контактної рідини.

Особливе місце серед п′єзоматеріалів займає полівінілінденфторид (ПВДФ), оскільки його структура несумісна зі структурою кристалів або кераміки. Незважаючи на свій дуже низький коефіцієнт електромеханічного зв'язку ( ) він становить інтерес для виготовлення перетворювачів, зважаючи на його деякі унікальні властивості: низькі порівняно з п’єзокерамікою значення імпедансу , механічної добротності ( ) і діелектричній проникності дозволяють виготовляти з нього високочастотні і добре демпфовані випромінювачі. Проте головна його перевага полягає в тому, що з нього можна виготовляти гнучкі плівки, що мають товщину декілька мікронів, що взагалі неможливо для інших п’єзокерамічних матеріалів, зважаючи на їх крихкість. Тому з ПВДФ без особливих труднощів можна виготовляти перетворювачі, особливо концентратори, на частотах до сотень мегагерців (МГц). Для класичних твердотільних п’єзокерамічних перетворювачів це досягається тільки в разі збудження випромінювача великої товщини на вищих гармоніках.

П'єзонапівпровідники використовують здебільшого для виготовлення плівкових перетворювачів електромагнітних коливань в акустичні на високих (ВЧ) і надвисоких (НВЧ) частотах (до 40ГГц). Завдяки простим складу і структурі плівки подібних сполучень напилюються у вакуумі безпосередньо на поверхню тіла (наприклад, акустичної лінзи), у якому необхідно збуджувати акустичні хвилі. Видалення зв'язуючого у складі п’єзоматеріалу дозволяє знизити втрати перетворення, а можливість виготовлення тонких шарів  до високої резонансної частоти перетворення. Ефективному застосуванню цих матеріалів на НВЧ сприяє і низьке значення діелектричної проникності ( ).