книги из ГПНТБ / Яффе Б. Пьезоэлектрическая керамика

слоем высыхающей на воздухе серебряной пасты. К этому типу электродов нельзя припаивать проводники, однако он дает на­ дежные измерения.

Серебро, вожженное в пьезоэлектрическую керамику некото­ рых типов, в частности в ниобаты, из-за возникающей термохими­ ческой реакции иногда вызывает осложнения при работе. В этом случае молено перейти на золотые электроды.

Временные электроды для поляризации

Ф и г . 11.2. Элемент для работы на сдвиговых колебаниях.

Высыхающая на воздухе серебряная паста удобна для полу­ чения временных электродов. Они необходимы, например, в тех случаях, когда заполяризованные керамические элементы доЛжны использоваться на сдвиговых колебаниях (фиг. 11.2).

М . П О Л Я Р И З А Ц И Я

Поляризация осуществляется приложением сильного постоян­ ного электрического поля к металлизированным керамическим об­ разцам. Поле может поддерживаться постоянным, прилагаться в импульсном режиме, изменяться по напряженности и т. д.; поляр­ ность поля может периодически изменяться на обратную [28, 29]. Из-за низкой диэлектрической прочности воздуха используются ван­ ны с маслом или средами, имеющими равноценные диэлектрические свойства.

К сожалению, поляризующее поле может вызывать диэлектри­ ческий пробой. Эта тенденция усиливается пустотами, трещинами и другими физическими дефектами. Пробивная прочность зависит также от толщины и формы керамических элементов и от конфигу­ рации электродов. Поэтому поляризация иногда является самой трудной операцией при получении преобразователей желаемой формы.

Различные составы значительно отличаются друг от друга по величине требуемого поляризующего поля, которое должно пре­ вышать коэрцитивное поле. В связи с тем, что последнее имеет тенденцию к уменьшению с понижением частоты, вместо того, что­ бы повышать напряженность поляризующего поля, можно уве­ личивать время поляризации. Увеличение времени поляризации

ВаТЮз вплоть до 1 ч обеспечивает практически полное преодо­ ление междоменных механических напряжений. Требуемая напря­ женность поляризующего поля обычно тем меньше, чем выше тем­ пература поляризации. Некоторые сегнетоэлектрики, например чи­ стый РЬТЮз, для практических целей поляризовать фактически невозможно.

Наиболее объективно характеризуют керамику свойства, кото­ рые оцениваются после того, как она заполяризована до насыще­ ния. Этот уровень удобно достигать на небольших тонких конт­ рольных дисках. Ввиду старения керамики существует общепри­ нятое правило выдерживать временной интервал между процессом поляризации и измерениями для оценки свойств. Иначе говоря, когда речь идет о характеристиках, то предполагаются значения у хорошо состаренной керамики. Чтобы установить оптимальные свойства и условия поляризации керамики определенного состава, целесообразно изучить процесс поляризации таким образом, как это описано Черри и Адлером [28]. Для составов данного класса требуемые условия поляризации могут варьировать в широких пределах. Например, тогда как два промышленных состава на основе Pb (Ti, Z r)0 3 только незначительно различаются по содер­ жанию добавки, один поляризуется до насыщения за несколько секунд при напряженности 20 кВ/см, другой же после такой обра­ ботки обычно имеет практически нулевой коэффициент электро­ механической связи, и для его поляризации необходимо несколько десятков минут при вдвое большей напряженности. Существуют другие виды керамики, время поляризации которых имеет порядок микросекунд при комнатной температуре.

Хорошо известно, что диэлектрическая прочность изделия за­ висит от его толщины. Из опыта также широко известно, что площадь электродов оказывает влияние на диэлектрическую проч-- ность в том отношении, что легче найти имеющий высокую пробив­ ную прочность образец с малой площадью электродов, чем с боль­ шой. Имеется много работ по изучению этих эффектов. Одна ра­ бота [30], относящаяся к данному вопросу, была проведена по изучению промышленной керамики Pb (Ti, Z r)0 3. Эту работу мож­ но рассматривать как характерную по изучению поведения при пробое большинства составов керамики, выпускаемой промышлен­ ностью. Предположение случайного объемного распределения оди­ наковых пустот и расчет ожидаемого поведения при пробое как функции пористости дали хорошее согласие с экспериментом. В этой же работе приведены также результаты в зависимости от размеров пор, площади и толщины образца. Влияние толщины образца описывается выражением

где Е — напряженность пробивного поля, кВ/см; t — толщина об­ разца, см. В логарифмических' координатах зависимость £ от 1

выражается прямой линией. Было найдено удобным характери­ зовать наклоном такой прямой линии п другие керамические ма­ териалы или образцы одинакового качества, отличающиеся по свойствам от образцов, данные для которых приведены выше (от­ носительная плотность 95%, диаметр пор 5— 10 мкм). Графическое выражение зависимости (11.1) является полезным (фиг. 11.3). По

Ф и г . 11.3. Зависимость пробивной напряженности электрического поля от отно­ сительной толщины образца, полученная на основании эмпирического соотноше­ ния Е = с/-0'39 [30].

этому графику, зная величины пробивного напряжения изделия данной толщины, можно определить пробивное напряжение для более тонких или более толстых образцов.

Изображение той же самой зависимости на новом графике (фиг. 11.4), на этот раз в абсолютных единицах, также целесооб­ разно. Этот график показывает, что с увеличением толщины мак­ симальное допустимое напряжение увеличивается, но максималь­ ная напряженность поля уменьшается. Как только напряженность пробивного поля оказывается меньше напряженности, требуемой для поляризации, 'устанавливается предельное значение поляри­ зующего напряжения для данной толщины изделия данного опре­ деленного состава, если только не удается найги условия, при ко­ торых керамика этого состава поляризуется при более низкой

напряженное и поля. Последнее иногда можно достигнуть изме­ нением температуры и времени поляризации.

Другой фіктор, ограничивающий поляризующее напряжение, заключается в относительно большой деформации, которую испы­ тывает керамика некоторых составов. Сегнетоэлектрик с малым

Ф и г . 11.4. Зависимость пробивной напряженности и пробивного напряжения электрического по^я от толщины образца [30].

искажением элементарной ячейки практически не будет обнару­ живать деформации при поляризации. Также не будет деформи­ роваться никакая из керамик, имеющих большое искажение ячей­ ки, но поляризующихся в основном путем 180-градусной переориен­ тации доменов, при которой .деформация отсутствует. В некоторых составах с большими коэффициентами электромеханической связи, например в Pb(Ti, Zr) Оз, деформация во время поляризации мо­ жет доходить до 0,5% в направлении, параллельном поляризую­ щему полю, и до 0,2% в перпендикулярном направлении. Легко представить, что некоторые толстые детали, имеющие кривизну, например сферические сегменты, толстостенные трубки и т. д., мо­ гут механически разрушаться вследствие напряжений, возникающие

Глава 12

ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ

А. О Б Щ И Е П О Л О Ж Е Н И Я

Пьезоэлектрический эффект представляет собой связь между электрическими силами и деформациями, с одной стороны, и ме­ ханическими силами и деформациями, с другой; вследствие этого пьезоэлектрики могут служить в качестве преобразователей элек­ трической энергии в механическую и обратно. В принципе они могут конкурировать со всеми другими Электромеханическими пре­ образователями, включая электромагнитные двигатели и генера­ торы. Практически же пьезоэлектрические преобразователи огра­ ничиваются применением в устройствах, характеризующихся лишь очень малыми механическими перемещениями и малыми величи­ нами электрического заряда, возникающего за каждый цикл. При возбуждении в звуковом и ультразвуковом диапазоне преобразо­ ватели могут тем не менее развить существенную акустическую или электрическую мощность, даже в пределах 1— 10 л. с.

Пьезоэлектрический эффект присущ диэлектрическим телам, не имеющим центра симметрии, и представляет собой обратимое превращение упругой энергии в электрическую энергию поляри­ зации диэлектрика. Накопление упругой энергии может вызвать высокие механические напряжения, ограниченные лишь механическ0й прочностью, однако относительные деформации неизменно всегда малы и редко превышают 1/1000. Накопление электрической энергии поляризации может вызвать высокие электрические поля, ограниченные только электрической прочностью диэлектрика, но плотность заряда никогда не бывает очень большой. Сегнетоэлектричеокая керамика с диэлектрическими проницаемостями, превы­ шающими 1000, на два порядка превосходит кварц по плотности возникающего электрического заряда, но она значительно уступает электрохимическим устройствам, таким, как батареи.

Эффективность использования пьезоэлектрических устройств зависит от согласования электрического и механического импедансов источника энергии и нагрузки. Ограниченные плотности заряда и амплитуда деформаций у пьезоэлектриков делают нецелесооб­ разным их применение на низких частотах (например, при 50 Гц) и совершенно неприменимыми при статических усилиях и полях. Пьезоэлектрики становятся значительно более пригодными на по­ вышенных частотах, так как электрический ток пропорционален

2 5 2 ГЛАВА 12

необходимо соединять так, чтобы их полярные оси были направле­

в состав которой входят до­ норные добавки. Преимущество такой керамики . заключается в том, что изделия из нее обладают высокой податливостью и низкой механической добротностью.

В. АКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Амплитуда перемещения даже у изгибных пьезоэлектрических элементов обычно недостаточна для излучения в воздушное про­ странство значительной мощности на низкой звуковой частоте. Однако в хорошей конструкции пьезоэлементы неплохо работают в ограниченном пространстве — в шлемофонах, в особенности если не требуется уделять особое внимание низким частотам. Следует использовать керамику с максимально возможным пьезоэлектри­ ческим коэффициентом d31, например керамику Pb(Ti, Z r)0 3 с до­ норными добавками.

Из-за ограниченного смещения трудно изготовить широкопо­ лосные пьезоэлектрические излучатели, пригодные для работы на низких частотах, однако пьезоэлементы нашли применение в ка­ честве высокочастотных излучателей, в особенности как приборы, излучающие сигнал на конкретных звуковых частотах. Они обычно представляют собой единичную поляризованную пластину из кера­ мики, приклеенную к бронзовой плате. В одном известном кино­ аппарате используется подобное устройство в качествехронирую­ щего устройства для передвижения обратимой пленки. Здесь также необходимость высоких значений d3J определяет выбор состава ке­ рамики.