5. Пьезоэлектрики. Характеристика пьезоэлектриков
В твердых телах механическое напряжение Т в соответствии с законом Гука вызывает упругую деформацию S:
T = YS, (5.1)
где Y – модуль упругости.
В пьезоэлектриках оно вызывает, кроме того, ропорциональную электрическую поляризацию:
P=dT, (5.2)
где d – коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем, Кл/Н.
Таким образом, кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии внешнего электрического поля, называется пьезоэлектриками, а сам эффект — пьезоэффектом или пьезоэлектричеством.
Существует и обратный пьезоэффект, вызывающий появление механической деформации под действием прикладываемого электрического поля:
S=dE. (5.3)
Обратный пьезоэффект необходимо отличать от электрострикции — деформации, возникающей вследствие смещения зарядов в диэлектрике любой природы. В этом случае, в отличии от пьезоэффекта. Наблюдается квадратичная зависимость деформации от поля и знак деформации не зависит от электрической полярности (большинство диэлектриков растягиваются в направлении приложенного поля).
Для электрострикции не существует аналога прямого пьезоэффекта — при действии механических напряжений поляризация не происходит.
Впервые пьезоэффект был обнаружен в 1880г. Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. Если на грани пластинки кварца наложить металлические обкладки и продеформировать пластинку, то при разомкнутых обкладках между ними возникнет разность потенциалов. В случае замкнутых обкладок на них при деформации появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризационным зарядам, возникающим на поверхности пластинки, и в цепи. Соединяющей обкладки, течет ток. При подключении к обкладкам внешней ЭДС кристалл деформируется.
Необходимое условие пьезоэффекта — отсутствие центра инверсии ионного кристалла. В этом случае при деформационных смещениях составляющих кристалл заряженных частиц возникает электрический момент (поляризация). При наличии центра инверсии смещения положительных и отрицательных зарядов компенсируют друг друга и макроскопическая поляризация не наблюдается. Единственным исключением являются кубические кристаллы с точечной группой симметрии 432, в которых компенсация смещений положительных и отрицательных частиц так же наблюдается. Несмотря на отсутствие центра симметрии. Кроме того, пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удельным сопротивлением (т.е. диэлектрики), поскольку в проводящих средах пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда. Таким образом, из общего числа 32 кристаллографических классов, или точечных групп, к которым принадлежат все кристаллы, 20 классов (из 21), не имеющих центра симметрии, допускают существование пьезоэлектрического эффекта. Однако лишь малая часть кристаллов этих групп обладает достаточно большим пьезоэффектом: кварц, сегнетова соль, титанат бария — стронция и др.
Количественной характеристикой пьезоэффекта является совокупность пьезоконстант (пьезомодулей) — коэффициентов пропорциональности в отношениях между электрическими (Е и Р) и механическими (Т, U) параметрами. Связь между ними носит линейный характер[1].
Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца
б-SiO2. Особенностью пьезоэффекта в кварце является то,что он в соответствии с его симметрией не обладает пьезоэлектрическими свойствами в направлении осиZ(оси с).Поэтому используют пьезоэлектрические срезы кварца (X и Y — срезы), перпендикулярные кристаллографическим осям X и Y.
Пластины X – среза используется для возбуждения продольного, а пластины Y – среза — поперечного пьезоэффектов. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 2.1) ионы Si+ и О- перемещаются в глубь ячейки кристалла (содержащей три молекулы SiО2), в результате чего на плоскостях А и В появляются заряды. При растяжении в этих плоскостях возникают заряды противоположного знака.
Рис. 5.1 Схема гексагональной структуры кварца в виде проекции ионов Si+
(О ) и О- (0) на плоскость, перпендикулярную оси 3-го порядка
а — недеформированное состояние; б, в — соответственно сжатие и растяжение вдоль оси X1.
Одно из самых ценных свойств кварца — способность мало изменять и хорошо воспроизводить свои характеристики в широком интервале температур. Стабильность характеристик кварца обеспечивает его широкое применение, и в первую очередь в кварцевых генераторах (для стабилизации их частоты ), в высокочастотных электромеханических преобразователях, пьезоэлектрических фильтрах и др.
Известно более 1 тыс. веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе все сегнетоэлектрики, у которых величина пьезоэффекта более чем на порядок выше, чем в кварце [1].
Пьезоэлектрики используются для изготовления различных электромеханических преобразователей.Под действием механической нагрузки наблюдается не только электрическая поляризация, но и изменение оптических свойств материалов — пьезооптический эффект (появление двойного лучепреломления в изотропных материалах и его изменение — в анизотропных). На данном эффекте основан поляризационно — оптический метод исследования механических напряжений[2].
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКОВ:
Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца[1].
Чаще всего современный человек встречается с ними в зажигалках, где искра образуется от удара в пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из них изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0.01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом
Сравнительно новой областью применения пьезоэлектриков являются пьезоэлектрические двигатели. В таких двигателях отсутствуют какие-либо обмотки и магнитные поля, поэтому они находят применение в радиотехнических устройствах, лентопротяжных и других приводах магнитофонов, в робототехнике. В пьезодвигателях основным элементом являются поляризованные керамические пластинки, колебания которых преобразуются во вращательное движение ротора. В настоящее время уровень разработки пьезокерамических, сверхтвердых и износостойких материалов ограничивает применение пьезодвигателей мощностью до 10 Вт, однако их характеристики указывают на перспективность применения в современных электронных устройствах, системах автоматизации и в бытовой технике[1].
В конце 60-х — начале 70-х годов были открыты высокоэффективные полимерные пьезоэлектрики на основе, в частности, поливинилиденфторида (ПВДФ), конкурентноспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и композитов на ее основе находит применение в бесконтактных переключателях в клавиатуре калькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях, электрических печатающих машинках. Широко применяются также композиционные полимерные пьезоэлектрики, получаемые смешением полимеров с пьезоактивным наполнителем, обычно пьезокерамикой.
Стабильность пьезосвойств ПВДФ и керамики ЦТС сравнима. Основные параметры композитов с ЦТС снижаются на 1% в год в течение 10 лет, у ПВДФ — на 4% за 10 лет[1].
Пьезоэлектрические свойства проявляются у поляризованных керамических сегнетоэлектриков. После поляризации в постоянном электрическом поле сегнетоэлектрик ведет себя как монокристалл. Первый пьезопреобразователь на основе титаната бария появился в 1947 г. До сих пор пьезокерамика остается незаменимой для ряда преобразователей звукового и ультразвукового диапазонов. Разработка технологии сегнетокерамики и изучение ее свойств относится к специальным разделам материаловедения.
Первое сообщение об использовании пленочных преобразователей ультразвукового диапазона появилось в 1965 г. Благодаря применению пьезоэлектрических пленок при изготовлении линии задержки на объемных волнах, рабочую частоту удалось повысить до 18 ГГц. Другим этапом пленочных устройств стали высокоэффективные акустооптические приборы на объемных акустических волнах (ОАВ), а с 1970 г. стали выпускаться преобразователи на поверхностных акустических волнах (ПАВ) на пьезоэлектрических подложках. Промышленное применение находят пленки ZnS, CdS, ZnSe, CdSe. На основе AlN создают приборы гигагерцевого диапазона с высокой скоростью[2].
Представляют интерес для изучения и пьезоэлектрические свойства пленок с низкой скоростью звука типа Bi12GeO28, Bi12SiO20. Заметной пьезоактивностью обладают пленки LiNbO3, Li1-xNaxNbO3, BeO, LaN, GaAs, LiO3 и др. Для массового выпуска телевизионных фильтров применяются монокристаллы ниобата лития, керамика PZT и тонкие пленки оксида цинка.
Промышленность многих стран, включая нашу, в настоящее время выпускает промышленные полимерные пьезоматериалы в основном на основе поливинилиденфторида, в виде металлизированных пленок толщиной от 5 мкм до 1..2 мм. На основе поливинилиденфторида разработаны высокоэффективные пьезоэлектрики конкурентноспособные с пьезокерамикой. Поливинилиденфторид и сополимеры винилиденфторида с другими мономерами обладают сегнетоэлектрическими свойствами – способностью к переполяризации, гистерезисными зависимостями поляризации от напряженности поля и температурой Кюри [1].
Из высокоэффективных пьезоэлектрических стеклообразных полимеров можно назвать сополимер винилиденцианида с винилиденацетатом.
Ø военная техника; транспорт, спортивные товары и товары для отдыха.