Перечислите основные свойства и характеристики пьезоматериалов и дайте их физический смысл.
Свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются следующими основными величинами: пьезомодулем d и диэлектрической проницаемостью , коэффициентом упругой податливости SE, скоростью распространения звука с, тангенсом угла диэлектрических потерь tg, плотностью , предельно допустимой температурой Т, добротностью Q.
1. Коэффициент электромеханической связи . Он определяется как отношение взаимной упругой и электрической энергии пьезоэлектрического преобразователя к среднему геометрическому значению суммарной плотности упругой и электрической энергии.
Внутренняя энергия пьезопреобразователя описывается выражением
(3.1)
где 0 - диэлектрическая постоянная вакуума; - диэлектрическая постоянная вещества пьезоэлектрика; D - электростатическая индукция.
Первый член этого выражения соответствует механической энергии пьезопреобразователя, второй - удвоенной взаимной упруго-электрической энергии, а третий - электрической энергии.
Коэффициент в этом случае определяется выражением
(3.2)
Именно квадрат коэффициента электромеханической связи определяет чувствительность пьезопреобразователя при излучении и приеме ультразвука.
2.
Величина
,
определяющая чувствительность
преобразователя по напряжению.
3.
Величина
,
которая входит в выражение
электромеханического к.п.д. преобразователей
(чем она выше, тем выше к.п.д.).
Пьезоэлектрические материалы делят на неполярные и полярные.
Неполярные пьезоэлектрики имеют небольшие значения пьезоэлектрического модуля и относительной диэлектрической проницаемости. Они характеризуются малыми диэлектрическими потерями и механическими потерями и слабой зависимостью свойств от температуры. В зависимости от электрических свойств неполярные пьезоэлектрики делятся на пьезодиэлектрики и пьезополупроводники. Из пьезодиэлектриков наиболее широко используется кварц. Пьезосвойства у пьезополупроводников заметно лучше, чем у кварца, а большая диэлектрическая проницаемость улучшает и другие электрические характеристики. Типичными представителями этой группы материалов являются окись цинка, сульфид и селенид кадмия.
Полярные пьезоэлектрики отличаются от других материалов наличием собственной электрической поляризации, существующей при отсутствии внешней механической деформации и электрического поля. Их делят на пироэлектрики и сегнетоэлектрики. Наиболее распространенные пироэлектрики - турмалин, сульфат лития. Однако в неразрушающем контроле пироэлектрики почти не применяются. В современных пьезопреобразователях наибольшее распространение получили сегнетоэлектрики, обладающие высокими пьезохарактеристиками. В последнее время получены такие новые сегнетоэлектрики, как ниобат лития, танталат лития и др. Наибольшую практическую ценность имеют сегнетоэлектрики другого типа - кристаллы титаната бария и пьезоэлектрические текстуры на его основе. Частным случаем таких текстур является пьезокерамика, которая представляет собой поликристаллическую структуру и состоит из кристаллитов с сегнетоэлектрическими свойствами. Чтобы придать керамике пьезосвойства, ее поляризуют - прикладывают к образцу, на который нанесены электроды, сильное электрическое поле, и выдерживают образец в течение определенного интервала времени. После снятия поля поляризация сохраняется. Наиболее широко применяют в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы PZT или ЦТС - цирконат титанат свинца, отличающиеся высокими пьезоэлектрическими коэффициентами и точкой Кюри.
Пьезокерамику получают по обычной керамической технологии спеканием порошков сегнетоэлектрических соединений. Изготовленный элемент представляет собой поликристаллическое тело, практически изотропное и не обладающее пьезоэффектом. Соответствующую анизотропию и свойства пьезоэлектрического монокристалла элемент приобретает после поляризации электрическим полем, под действием которого домены в кристалликах керамики ориентируются преимущественно одинаково. Современная пьезоэлектрическая керамика на основе ЦТС обладает большим пьезоэффектом и хорошими физико-механическими свойствами. Поэтому в дефектоскопах пьезоэлементы изготавливают исключительно из пьезокерамики.
Однако ей присущи недостатки:
- большой разброс параметров;
- нестабильность этих параметров во времени.
Пьезоэлементы выполняют в виде пластин, колеблющихся по толщине в направлении приложенного электрического поля.