МЭТ-2

Эти коэффициенты определяются по эффективной, реверсивной статистической проницаемостям.

С увеличением частоты (выше граничной), ε падает, т.к. домены не успевают переориентироваться.

Спонтанная поляризованность зависит от температуры T. Та температура, при которой исчезает спонтанная поляризованность и доменная структура, на-

зывается точкой Кюри (Tk). При Tk происходит фазовый переход из сегнето-

электрического состояния в параэлектрическое, когда Pсп = 0. Фазовые переходы бывают первого, второго рода и размытые (рис.3).

ε

При температуре Кюри Tk в значениях ε имеется максимум. Диэлектрическая проницаемость при T > Tk подчиняется закону Кюри - Вейсса:

где C — константа.

Для сегнетоэлектриков с фазовым переходом первого рода спонтанная по-

ляризация меняется скачком при T < Tk, наблюдается температурный гистерезис и выделение скрытой теплоты перехода. При фазовом переходе второго

рода температурного гистерезиса нет и при Tk ε → ∞ . В сегнетоэлектрике с размытым переходом Pсп уменьшается в определенной области температур,

Смещение иона типа Ti4+ от центра приводит к возникновению электрического момента. Спонтанная поляризация является следствием упорядоченного смещения ионов из положения равновесия. Поэтому фазовый переход в ионных сегнетоэлектриках в точке Кюри называется переходом типа смещение. В

законе Кюри – Вейса C = 105 K. Для BaTiO3 зависимость ε от температуры имеет вид, показанный на рис.5.

Видно, что BaTiO3 имеет три точки Кюри: tк3 = − 80° ,tк2 = + 20° ,tк1 = + 120° C .

При t > tk BaTiO3 имеет кубическую решетку. При уменьшении температуры кубическая решетка переходит в тетрагональную, затем в ортогональную

и тригональную. Спонтанная поляризация объясняется смещением иона Ti4+ к иону O2- с образованием большого электрического момента.

В точках Кюри tgδ минимален. Графики зависимости статической прони-

цаемости от E_ и эффективной проницаемости от частоты приведены на рис.6 и рис.7 (t = 20oC).

К дипольным диэлектрикам относятся сегнетова соль

NaKC4 H4O6 × 4H2O , tк = 24° C

триглициринсульфат, нитрат натрия и другие. В элементарной ячейке этих кристаллов имеются атомы или группы атомов с двумя положениями равновесия. Константа Кюри – Вейса C = 103, т.е. на два порядка меньше, чем у ионных сегнетоэлектриков, поэтому дипольные сегнетоэлектрики не нашли широкого применения.

Наибольшее применение нашли керамические сегнетоэлектрики, которые являются твердыми растворами сегнетоэлектриков и антисегнетоэлектриков.

Под руководством Т.Т.Вербицкой были разработаны сегнетоэлектрические материалы ВК1-ВК6 на основе твердых растворов титаната бария, цирконата

бария, станната бария. Они имеют t = (75-200)oC, ε = 400 - 104, kэф = 2-50, tgδ = 0,01-0,03. Это сегнетоэлектрики с размытым переходом. На их основе выпускаются сегнетоконденсаторы (вариконды), используемые для управления частотой автогенераторов, для автоподстройки частоты, для построения

диэлектрических усилителей и датчиков температуры. Зависимость εэф от Eт приведена на рис. 8, а от температуры — на рис. 9.

Реверсивная проницаемость меняется постоянным электрическим полем в 4-5 раз (Е_ = 1 – 4 кВ/см), рабочие частоты - до сотен мегагерц. С течением времени у сегнетоэлектриков ε уменьшается на 30-40% за 30-60 дней.

18.3. Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики — это материалы, поляризация которых происходит под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и которые под действием электрического поля меняют свои размеры (обратный

пьезоэффект). Поляризованность P = dσ или Q = dF , где d — пьзомодуль,

σ — механическое напряжение, F — сила, Q — заряд.

Изменение размеров материала под действием электрического поля называется электрострикцией. Относительная деформация тела

χ = dE = Qэ Pn ,

где Qэ — электрострикционный коэффициент, n = 1 – 2 — коэффициент. Пьезоэлектрики также характеризуются коэффициентом электромеханиче-

ской связи Kм, квадрат которого равен отношению преобразованной энергии к подводимой. Пьезоэлектрики обладают анизотропией, т.е. их свойства в

разных направлениях различны (d, ε, Kм), поэтому их характеристики являются тензорными величинами. Пьезоэлектрики также имеют температуру Кюри,

при которой d и ε максимальны. Пьезоэлектрики бывают монокристаллические и поликристаллические. К кристаллическим пьезоэлектрикам относятся кварц, кристаллы BaTiO3, сегнетова соль, ZnO, CdS, ZnS, KH2PO4, LiNbO3,

LiTaO3, LiIO3. Германат висмута, ниобат и тантал лития обладают высоким Kм

(у SiO2 — кварца Kм = 0,1; у LiNbO3 Kм = 0,65; у LiTaO3 Kм = 0,47), но кварц обладает наивысшей температурной стабильностью. Конденсаторы с диэлектриком из кварца являются кварцевыми резонаторами и используются для стабилизации частоты автогенераторов. Их добротность достигает 2*106. Используются различные срезы кварца: AT, ВТ, X, Y, Z, ST и другие. Монокристаллические пьезоэлектрики используются в линиях задержки и фильтрах на поверхностных акустических волнах (ПАВ), объемных акустических волнах

(ОАВ). Они имеют высокие Tk (LiNbO3 – 1200oC, LiTaO3 – 610oC).

Широкое применение находит пьезокерамика. Для придания ей пьезо-

свойств керамику поляризуют в сильных электрических полях при t = 100 – 150oC в течение 1 часа. Из пьезокерамики можно изготавливать детали любой

формы, низкой стоимости, Kм пьезокерамики высок, высока ε, но потери выше, чем у монокристаллов. Пьезокерамика — твердые растворы на основе титаната бария, титаната свинца, цирконата свинца, ниобата бария (ЦТС —

цирконат-титанат свинца, НБС — ниобат бария свинца). Цирконат свинца — антисегнетоэлектрик.

У пьезокерамики tk = 150 – 420 oC, ε = 420 – 1440, механическая добротность Qм = 70 - 500. Для увеличения ε, Kм добавляют La2O4, Bi2O4, Ta2O5,

Nb2O5. Введение ионов Fe, Co, In снижает ε, tgδ, повышает добротность. Используются и тройные твердые растворы PbZnO3-PbTiO3-CaTiO3 с добавками.

Пьезоэлектрические свойства обнаружены и у некоторых органических материалов, и они уже нашли широкое применение в качестве датчиков силы.

ЛИТЕРАТУРА

1.Электрорадиоматериалы (под ред. Б.М. Тареева) – М.: Высшая школа – 1978

2.Пасынков В.В. Материалы электронной техники. – М: Высшая школа - 1980

3.Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы. – Л.: Энергия

– 1977

4.Харин А.Н., Дьякова А.П. Материалы электронной техники. Таганрог: ТРТУ – 1977 (№212)

5.Балецкая Л.Г., Катаева Н.В. Методические указания к изучению курса “РМ и РД” по разделу “Электрические явления в диэлектриках”. – Таганрог: ТРТИ – 1981 (№546)

6.Негоденко О.Н., Путилин В.П., Балецкая Л.Г. Магнитные материалы. – Таганрог: ТРТУ – 1993 (№1388)

7.Материалы в приборостроении и автоматике. (под ред. Ю.М. Пятина). – М: Машиностроение – 1982

8.Никулин Н.В. Электроматериаловедение. – М.: Высшая школа – 1984

9.Пасынков В.В., Сорокин О.С. Материалы электронной техники. М.: высшая школа – 1986

10.Савровский Д.С., Головня. Конструкционные материалы и их обработка. М.: Высшая школа – 1976

11.Галактионова Н.А. и др. Конструкционные материалы и их обработка. – М.: Металлергия - 1978

12.Кнорозов Б.В. и др. Технология металлов. – М.: Металлургия - 1974

13.Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. – М.: Энергия - 1976

14.Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных схем. – М.: Высшая школа – 1980

Подписано к печати 5.07.2006.

Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная Печать офсетная. Усл. п. л. – 3,25. Уч.-изд. л.- 3,2.

Заказ № 250 Тираж 100 экз. «С»

Типография Таганрогского государственного радиотехнического университета

ГСП 17 А, Таганрог, 28, Энгельса, 1.