книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

сопровождается заметным изменением электрических параметров. Термический удар от 1000 до 15°С вызывает снижение гибкости фторфлогопита, но трещин или помутнения не появляется, элек­

Слюдокерамика — плотный материал снежно-белого цвета с водопоглощением около 1 %, имеющий механическую прочность на из­ гиб аозг= 700 кГ1см2. Она имеет нагревостойкость 750° С. При нор­ мальных условиях е=6,5, tg8=40-10~4, т=10~н ом-см~\ Епр = = 100 кв/см. Слюдокерамика легко обрабатывается и поэтому из нее изготовляют различные нагревостойкие детали методами ме­ ханической обработки.

Прессмика. Прессмика изготовляется из порошкообразной

Для нагрева пресс-форм применяются токи высокой частоты. По электрическим свойствам этот материал мало отличается от слю­ докерамики, за исключением более низкого tg 8= 5-10~4. Ввиду повышенной механической прочности (аизг=1200 кГ/см2) пресс-

80

мику применяют для нагревостойких (/ = 700° С) изоляторов раз­ личного назначения.

Новомикалекс отличается от обычного микалекса применением синтетической слюды и тугоплавкого стекла. Так, новомика­ лекс 203 приготовлен прессованием со стеклом № 203; можно применять и метод литьевого прессования. Количество кристалли­ ческой фазы составляет 50—70%. Новомикалекс хорошо обраба­ тывается и допускает рабочую температуру до 500° С. По электри­ ческим свойствам он несколько лучше слюдокерамики, а его тех­ нология— производства проще. В изоляторы из новомикалекса могут быть запрессованы вводы из тантала, молибдена и др. Гер­ метическая связь с запрессованной арматурой не нарушается до 500°С.

Пенослюду изготовляют из порошкообразного фторфлогопита, стекла № 203 и пенообразователя (карбид кремния и др.). При нагревании отпрессованной заготовки вначале оплавляются ча­ стицы стекла, а при дальнейшем повышении температуры до 1200°С происходит вспенивание материала. Пёнослюда имеет низкий объемный вес — 0,3 и может работать при температурах до 700° С. Прочность пенослюды невысока оиз =5 кГ/см2. Она об­ ладает низкими значениями е и tg 8.

6-4. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ

Ряд веществ обнаруживает способность непосредственно пре­ образовывать механическую энергию в электрическую и обратно; такие вещества называют пьезоэлектрическими. Преобразование механической энергии в электрическую связано е изменением поля­ ризации под действием механических сил, т. е. с появлением по­ верхностных зарядов; это явление носит название прямого пьезо­ эффекта. Обратное преобразование связано с механическими де­ формациями под действием электрического поля; это явление но­ сит название обратного пьезоэффекта.

Природу пьезоэлектрического эффекта можно в известной мере уяснить себе на примере кварца. Кварц (ЭЮг) состоит из атомов кислорода и кремния, расположенных в шестигранных ячейках. Структура ячейки такова, что при симметричном расположении элементов (кремния и кислорода) все заряды взаимно компен­ сируются и ячейка в целом — электрически нейтральна. Схемати­

нарушается, к электроду А приближаются отрицательно заряжен­ ные атомы и на нем появляется отрицательный заряд, а на элек­ троде В — положительный. Это явление представляет собой так называемый продольный пьезоэффект. При сжатии в направлении, перпендикулярном оси x t, к электроду А приближаются положи­ тельные заряды, а отрицательные удаляются от него. Поэтому на электроде А появляются положительные заряды; соответственно на электроде В появляются отрицательные заряды. Это — попереч­

81

ный пьезоэффект. Если вместо сжатия осуществить растяжение кристалла знаки зарядов изменятся на обратные. При прямом пьезо: эффекте изменение поляризованное™ АР, равное поверхностной плотности выступивших зарядов q, пропорционально механичен ским напряжениям, вызванным в пьезоэлектрике. Эти напряже­ ния можно разложить на шесть составляющих: нормальные на­ пряжения вдоль трех координатных осей и напряжения сдвига относительно трех плоскостей, нормальных к координатным осям. Обычно пользуются правой системой координат; если нормальное напряжение сжимающее, ему присваивают знак плюс; растяги­ вающее напряжение считается отрицательным. Нормальные со­ ставляющие напряжений вдоль осей х, у, z обозначают следую*

Рис. 6-10. Схематическое расположение ионов кремния и кислорода в ячейке кварца:

гцим образом: ахх, ауу, а2г\ первая буква индекса указывает на* правление силы, вторая — направление нормали к поверхности, на которую действует сила. Согласно этому условию напряжение сдвига вдоль оси у относительно плоскости, перпендикулярной оси 2 , обозначают оу2; напряжение сдвига вдоль оси z относитель­ но плоскости, перпендикулярной оси х ,— azx; напряжение сдвига вдоль оси х относительно плоскости, перпендикулярной оси у,

—аху. В общем случае составляющие поляризованное™ при пря­ мом' пьезоэффекте связаны с составляющими механических напря­ жений следующими уравнениями:

Величины dn, di2 _dmn носят название пьезоэлектрических мо* дулей. Поляризованное™ Р в системе единиц СИ измеряется

82

в к/м2, а механическое напряжение в н/м2\ поэтому пьезоэлек­ трический модуль dmil измеряется в к/н. Так как один кулон ра­ вен 3- 109 единиц СГС ео количества электричества, а один ньютон равен 10s дин, то для перехода к системе СГС ео получается выра­ жение

d m n [/c/w] - g jq, d m n [СГС Е0/<?пя].

Пьезомодуль, характеризующий пьезоэффект, является коэф­ фициентом пропорциональности между поляризованностью и ме­ ханическим напряжением. Помимо пьезомодуля, имеются и дру­ гие характеристики пьезоэффекта. Пьезоэффект зависит от на­ правления сжимающей силы относительно осей кристалла и от типа его решетки.

Для сегнетовой соли пьезоэффект определяется тремя пьезо­ электрическими модулями dn, d25 и d36. Каждый модуль пред­ ставляет коэффициент пропорциональности между поляризованностыо в направлении одной из осей и механическим напряже­ нием сдвига, направленным перпендикулярно этой оси:

—АРХ= duoyz,

—АРу = d,:pz0

= dsaoxy}

где А Рх, А Ру и ДРг — изменения поляризованности соответственно вдоль осей х, у, z, численно равные плотностям зарядов на поверх­ ности пластины, a oyz, oz.v, аху— напряжения сдвига. Для кварца прямой пьезоэффект определяется значениями пьезомодулей dn и di4- Для сегнетоэлектриков с тетрагональной структурой кри­ сталлов при температуре ниже точки Кюри, главным образом, имеют значение пьезомодули d3i и d3s. Для таких сегнетоэлектри­ ков уравнения (стр. 32) приобретают вид (так как d2i = d]5 и d32 =

—^31):

■ ■ — d'VpzP

ЬРу = ^15ауг!

кРг = d21СХХ + d,Hcyy -f dssa2z.

Пьезоэлектрические свойства в сегнетоэлектрике появляются по­ сле его поляризации.

Если поляризация проведена в направлении оси г, а образец испытывает только напряжение сжатия ахх, перпендикулярное пло­ скости yz, то (рис. 6-1 1 , а)

ДР, = 0,

АРу = 0,

— &.Р = d<nO

Заряды возникнут только на гранях, перпендикулярных оси z.

83

Если образец испытывает напряжение сжатия ауу, перпендику­ лярное плоскости zx (направлено вдоль оси у), то не равна нулю только составляющая ауу (рис. 6-1 1 , 6 )

дяЛ.= о,

дру = 0,

А Р г = ^ 3 1 CT_vy

и поэтому называется ре­ зонатором. Амплитуда механических колебаний зависит от частоты переменного поля и при совпадении частоты поля с собственной (резонансной) частотой резонатора имеет макси­ мальное значение. Резко выраженные резонансные свойства по­ зволяют сравнить резонатор с электрическим контуром и заме­ нять его эквивалентной электрической схемой. Замена кварце­ вого резонатора эквивалентным электрическим контуром являет­ ся удобным методом для анализа работы и расчета кварцевых генераторов, кварцевых фильтров и т. п. Подобно колебательному контуру пьезоэлектрический резонатор характеризуют добротно­ стью Qpe3 и коэффициентом электромеханической связи Ксв-

Этот коэффициент представляет отношение энергии возникающих механических колебаний к подводимой электрической энергии и является, таким образом, энергетическим коэффициентом полез­

84

ного действия резонатора. Пьезоэлектрические свойства присущ» многим ионным, не имеющим центров симметрии кристаллам, та­ ким, как кварц, сегнетова соль, турмалин, этилендиаминтартрат и др. Кроме того, в качестве пьезоэлектриков применяют поляри­ зованные в сильном поле сегнетоэлектрики. ■Здесь рассмотрены! кварц и сегнетокерамические материалы для пьезоэлементов.

свойства природного кварца характеризуются значениями пьезо­

Пьезоэлементы из природного кварца допускают повышение температуры до 250° С, так как при дальнейшем нагревании рез­ ко падает добротность. Однако в целях поддержания неизменной

85.

собственной частоты колебаний обычно допускают небольшие из­ менения температуры в пределах —50 .... + 90° С, а в некоторых случаях даже помещают пьезоэлемент в камеру с неизменной тем­ пературой.

В области температур от 250-е 500° С применяют пьезоэле­ менты из синтетического кварца, сохраняющие при таких темпе­ ратурах высокую добротность порядка 5- 105. Для устранения вну­ тренних дефектов строения кристалла вырезанный из него брусок

бруска вырезают пластинки в виде диска или прямоугольника; из­ готовляют также кварцевые стержни прямоугольного сечения.

Пластинки вырезают из кристаллов кварца под различными углами относительно осей х, у, 2 ; такие пластинки именуют сре­ зами. Срез, при котором плоскость пластинки перпендикулярна оси х, называется х-срезом.

Срез, при котором плоскость пластинки перпендикулярна оси у, называется г/-срезом. Это — простые срезы.

Недостатком простых срезов является сильная зависимость

•частоты собственных колебаний пластинок от температуры. Пластинки с косыми срезами обладают небольшим температур­

ным коэффициентом частоты.

Наибольшее распространение получили срезы, при которых плоскость пластинки параллельна оси х и составляет некоторый угол с осью z (рис. 6-13).

К ним относятся срезы АТ, БТ, ДТ, ФТ, АЦ, ЕТ и др. Когда

•сторона пластинки составляет угол 45° с осью х, то такой срез называется ЖТ. Иногда применяются срезы, для которых длинная

Для возбуждения колебаний пластинок наносят на их плоско­ сти электроды, с помощью которых подводится напряжение. Квар­ цевые пластинки укрепляются с помощью держателей, которые могут выполнять также функции электродов. Такое устройство на­ зывается кварцевым резонатором.

В укрепленной пластинке могут иметь место различные виды колебаний: растяжение — сжатие, изгиб, сдвиг, кручение.

В зависимости от вида колебаний применяют различные ме­ тоды крепления пластинок; пластинка с нанесенным слоем се­ ребра, укрепленная по торцам, может колебаться по толщине; пла­ стинка, укрепленная в узловых точках с помощью проволочек, припаянных к ней, может совершать колебания по длине. Частота собственных колебаний кварцевой пластинки зависит от ее разме­ ров типа среза и вида колебаний. При выборе типа срезов учиты­ вают их различную температурную стабильность частоты.

« 6

Наибольшее применение кварцевые пьезоэлементы находят в качестве эталонов частоты. Это связано, во-первых, с высокой стабильностью частоты колебаний пластинок, возбужденных опре­ деленным образом. Во-вторых, кварцевые резонаторы имеют исключительно высокую добротность и поэтому их использование не вносит сколько-нибудь заметного затухания в основной коле­ бательный контур. Кварцевые резонаторы применяют для стаби-

а) простые срезы; б), в), г) косые срезы

лизации частоты, для создания узкополосных фильтров и в схе­ мах генераторов, где кварцевый резонатор используется либо в ка­ честве элемента контура, либо в качестве элемента обратной связи.

Пьезоэлектрическая керамика

Пьезоэлектрический эффект в сегнетоэлектриках со структурой типа перовскита появляется после принудительной поляризации под воздействием сильного постоянного поля. При температурах ниже точки Кюри сегнетоэлектрик характеризуется наличием-

87

мики. Здесь рассматриваются Т-1700, ниобат кадмия — натрия и титанат— цирконат свинца.

Т-1700. Пьезокерамика типа Т-1700 представляет собой твер­ дый раствор на основе титаната бария с £=1700, с пьезомодулем* <*31 = 60- 1 0 12 к/к и с малой температурной зависимостью пьезомо­ дуля в интервале от +20 до +60°С. Эта керамика применяется для пьезоэлектрических микрофонов, звукоснимателей, ультразву­ ковых генераторов и приемников и для датчиков ускорений, дав­ ления и вибрации.

Рис. 6-14. Температурные зависимости е и d3l:

7 — для тнтаната-цнрконата свинца с примесью окиси лантана; 2 — для ти­ таната бария

Ниобат кадмия — натрия. Пьезокерамика этого типа относится к системе Na20 ■Nb2Os — CdO • Nb20 5. Для одного из видов кера­

мики этого типа параметр-^22- =9,8- 10~н к/н, что несколько ниже,.

электромеханической связи &ся=0,63, тогда как для титаната ба­ рия он равен 0,49. Гораздо более высокие свойства получаются для керамики этого вида, если в ее состав ввести примерив 1 %

89