Полікристалічні п'єзоелектрики.

П'єзоелектричні текстури. Текстури, являють собою орієнтовану певним чином у просторі сукупність п'єзоелектричних кристалів, що не має центру симетрії, можуть володіти п'єзоелектричним ефектом. П'єзоефект в текстурах сегнетової солі був відкритий А. В. Шубніковим; ним же були встановлені основні закономірності п'єзоефекту в аналогічних середовищах. Пьезотекстури сегнетової солі, одержувані нанесенням розплаву сегнетової солі на підкладку з допомогою пензля, мають один пьезомодуль d14 сегнетової солі.

В Нині такі текстури не становлять практичного інтересу. Найбільше значення імебт текстури на основі поляризованої п'єзоелектричної кераміки.

П'єзоелектрична кераміка. Сегнетоелектричні властивості таких матеріалів обумовлюють можливість п'єзоелектричного ефекту. Під впливом постійного електричного поля деяка частина доменів орієнтується в напрямку прикладеного поля. Після зняття зовнішнього поля велика частина доменів утримується у своєму новому становищі через внутрішнього поля, яке виникає в результаті паралельної орієнтації напрямів поляризації доменів. Завдяки цього кераміка стає полярною текстурою, яка володіє п'єзоефектом.

Керамічна технологія виготовлення п'єзоелементів не накладає принципових обмежень на їх форму та розміри. Ці обставини, а також високі значення п'єзоелектричних характеристик зумовили широке застосування керамічних п'єзоелементів в техніці, особливо в пристроях для випромінювання і прийому ультразвукових коливань.

Особливості технології виготовлення керамічних п'єзоелементів. Відмінною рисою процесу виготовлення п'єзокерамічних виробів є їх поляризація сильним постійним електричним полем, яке прикладається зазвичай після нанесення електродів на спечену заготівлю, отриману одним з методів керамічної технології.

Промислові п'єзокерамічні матеріали та пьезокерамические - полімери.

Матеріали з різними властивостями поділяються на марки (за складом і характеристикам) і на функціональні групи (за призначенням).

Матеріали функціональної групи 1 застосовуються для виготовлення високочутливих п'єзоелементів, що працюють у режимі прийому або випромінювання механічних коливань. Матеріали функціональної групи 2 призначені для п'єзоелементів, експлуатуються в умовах сильних електричних полів або високих механічних напружень. Матеріали функціональної групи 3 застосовуються для виготовлення п'єзоелементів, що володіють підвищеною стабільністю резонансних частот в залежності від температури і часу, а функціональної групи 4 - для високотемпературних п'єзоелементів.

Розглянемо тепер властивості п'єзокераміки різних типів.

Матеріали на основі титанату барію. Титанат барію є сегнетоелектриків. П'єзокераміка титанату барію (ТБ-1) широко застосовується для виготовлення перетворювачів, до яких не пред'являють жорсткі вимоги по температурної та часової стабільності характеристик. Відсутність в рецептурі титанату барію летючих при випаленні компонентів і простота технолігіі виготовлення п'єзоелементів роблять цей матеріал по колишньому поширеним в техніці.

Матеріали на основі твердих розчинів титанату - цирконату свинцю. Тверді розчини титанату свінцаобладабт дуже високими значеннями п'єзоелектричних характеристик. На основі цих твердих розчинів були розроблені серії технологічних п'єзокерамічних матеріалів, умовне найменування ЦТС (за кордоном PZT).

Технологія виготовлення виробів з матеріалів типу ЦТС ускладнена тим, що вони містять в своєму складі оксид свинцю, який частково випаровується при високотемпературному випаленні, що призводить до поганої відтворюваності властивостей. Тому випал заготовок п'єзоелементів проводять в атмосфері парів оксиду свинцю, для чого заготовки поміщають в щільно закриті Капсель, що містять засипку з оксидних сполук свинцю. Тим не менш, високі характеристики цього типу матеріалів роблять їх вельми поширеними для виготовлення п'єзоелектричних перетворювачів різного призначення: для електроакустичних приладів, ультразвукової техніки, пьезометра, а також і деяких видів радіотехнічних фільтрів.

Матеріали на основі метаніобата свинцю. Тверді розчини метаніобатов свинцю і барію мають високу температуру точки Кюрі. Матеріали на їх основі імебт стабільні в широкому температурному інтервалі значення пьезмодулей і резнансних частот. Технологія виготовлення виробів з них простіше, ніж з матеріалів марки ЦТС, оскільки входять до складу ніобатной кераміки оксид свинцю практично не леткий при випаленні.

П'єзоелектрики - полімери. Деякі полімерні матеріали у вигляді механічно орієнтованих і поляризованих в електричному полі плівок є полярними текстурами, в яких спостерігається п'єзоелектричний ефект. Серед них практичний інтерес представляє полівініліденфторид (ПВДФ). При витяжці плівок з цього полімеру на 300 ... 400% вони орієнтуються з утворенням особливої вЂ‹вЂ‹конформації, яка після поляризації в сильному електричному полі набуває п'єзоелектричний ефект.

Прямий п’єзоелектричний ефект Поляризація під впливом зовнішнього електричного поля виникає в усіх діелектриках. В піроелектриках поляризація виникає наслідок зміни температури. Існує також широкий клас кристалів, у яких поляризація виникає під впливом механічних навантажень, тобто внаслідок зміни форми кристала – деформації. Таке явище називається прямим п’єзоелектричним ефектом або просто п’єзоефектом. П’єзоефект належить до лінійних явищ, тобто індукована поляризація пропорційна величині відносної деформації кристала і тому пропорційна прикладеному зовнішньому механічному зусиллю. Лінійність ефекту означає чутливість його до знаку деформації. Зі зміною деформації, наприклад, із розтягування на стискання змінюється на протилежний напрямок вектора наведеної поляризації. 

Обернений п’єзоелектричний ефект

Це явище отримаємо, помінявши причину з наслідком. Тобто при накладанні вздовж полярного напрямку зовнішнього електричного поля виникає деформація кристала. Обернений п’єзоефект теж належить до лінійних явищ, тобто знак деформації залежить від напрямку прикладеного поля відносно поляроної осі.

Симетрійні ознаки належності до п’єзоелектриків

Вивчаючи особливості поляризації фероелектриків та піроелектриків, ми переконалися, що знання симетрії кристала дозволяє встановити належність його до цих класів діелектриків. Належність кристала до класу п’єзоелектриків теж можна визначити, аналізуючи симетрію його ґратки. Виявляється, що в усіх п’єзоелектричних кристалах відсутній центр симетрії. Серед 32 кристалографічних класів нараховується 21 нецентросиметричний клас. Правда, в одному з них п’єзоефект не спостерігається внаслідок відсутності полярних напрямків (див. далі), тобто існує всього 20 п’єзоелектричних класів. Відсутність центра симетрії означає (за вказаним винятком) наявність у кристалі однієї або декількох полярних осей симетрії. Як і раніше, вісь симетрії вважається полярною, якщо у кристалі відсутні елементи симетрії, які могли би змінювати її напрямок на протилежний. Піроелектрики та фероелектрики у полярній фазі мають єдину полярну вісь симетрії, тому всі 10 полярних класів одночасно є п’єзоелектричними класами. У п’єзоелектричних кристалах, які не належать до піроелектриків чи фероелектриків, існує декілька симетрично розміщених полярних напрямків. 

П’єзоелектричні властивості кварцу

Класичним п’єзоелектриком є кристалічний кварц у його низькотемпературній кристалічній фазі  . При температурі вище   -кварц переходить в іншу кристалічну модифікацію  -кварц, в якому п’єзоелектричні властивості відсутні. В  -кварці існує єдина вісь   і три осі  , перпендикулярні до   і розміщені під кутом   між собою, рис. 2.19.1. Осі   – полярні, оскільки в кристалі відсутні елементи симетрії, які могли би змінити напрямки їх на протилежні. Вісь   неполярна, адже напрямок її можна змінити на протилежний, повертаючи структуру на   відносно будь-якої з осей  . Вектор поляризації, індукований деформацією, може мати напрямок лише вздовж полярних осей, тут  . П’єзоелектричні явища при деформації вздовж осі   не спостерігаються, оскільки вона неполярна.  Р ис. 2.19.1. Елементи симетрії кварцу та приклад вирізання п’єзоелемента.

На рис. 2.19.1 зображено один із трьох рівноцінних варіантів вирізання із кристала кварцу ефективного п’єзоелемента. Власне, саме така орієнтація зразка не обов’язкова, як не обов’язково прикладати зовнішню силу строго вздовж однієї з полярних осей. Достатньо лише забезпечити умови для виникнення деякої деформації вздовж хоча б однієї з цих осей.  Р ис. 2.19.2. Структура -кварцу. Характерним елементом структури кварцу є тетраедр із негативних іонів кисню, в центрі якого знаходиться позитивний іон кремнію. На рис. 2.19.2 наведено елемент структури кварцу. Іони   зображено більшими кружками (1, 2, 3), а   – меншими. Вісь   спрямована перпендикулярно площині рисунка. Іони   та   утворюють гвинтові ланцюжки, закручені вздовж  . Залежно від напрямку закручування розрізняють правий або лівий кварц. Поряд з іншими однаковими властивостями (температура плавлення, твердість, пружність та ін.), ліва та права модифікації відрізняються в оптичному відношенні. У випадку поширення світла вздовж згаданих ланцюжків ( тобто вздовж осі  ) одна різновидність кварцу повертає площину, в якій коливається електричний вектор світлової хвилі, вліво, тоді як інша, навпаки,– вправо, На рис. 2.19.2 наведено елемент структури лівого кварцу. Іон за номером 1 знаходиться у найвіддаленішому шарі, іон 3 – у на йближчому. 

Рис. 2.19.3. Ілюстрація п’єзоефекту у кварці: а) спрощена структура кварцу; б) деформація стиску; в) деформація розтягу. Рис. 2.19.3.а зображає структуру  , спрощену порівняно з попереднім рисунком. Тут іони кисню об’єднано попарно і всі іони перенесено в одну площину. На рисунках (б), (в) зображено (у перебільшеному масштабі) зміщення іонів при деформації стиску та розтягу, відповідно, вздовж одного з полярних напрямків. Внаслідок асиметрії структури вздовж цих напрямків (що, власне, є причиною необоротності відповідної осі симетрії) іони протилежних знаків зміщуються по-різному. При деформації стиску (б) всі іони зміщуються вниз, зближаючись між собою, проте іони кремнію зміщуються на більші відстані ніж іони кисню. В результаті на верхній грані виникають негативні заряди, а на нижній, відповідно, позитивні, тобто кристал поляризується. При деформації розтягу (в) іони кремнію та кисню зміщуються вверх, але іони   знову зміщуються сильніше, тому поляризація матиме обернений знак.