Сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Линейные размеры доменов составляют от 1 мкм до 1 мм. Направление электрических моментов у разных доменов различно, поэтому суммарная поляризованность материала может быть равна нулю.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля. Следствием этого является нелинейная зависимость электрической индукции от напряженности поля (рис.8.1). При изменении направления поля кривая описывает гистерезисную петлю. Точки В и С определяют состояние технического насыщения, Е_с коэрцитивная сила,D_r остаточная электрическая индукция. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.

Специфичные свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Температура такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри (Т_к).

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнетоэлектрики подразделяют на 2 вида: ионные и дипольные кристаллы. У первой группы характерным структурным элементом является кислородный октаэдр, благодаря чему эти материалы получили название сегнетоэлектриков кислородно-октаэдрического типа. К ним относятся: титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат калия (KNbO₃), ниобат лития (LiNbO₃), танталат лития (LiTaO₃), йодат калия(KJO₃), барий-натриевый ниобат или сокращенно БАНАН (Ba₂NaNb₅O₁₅) и др.

У дипольных сегнетоэлектриков имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия. К ним относятся: сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆4H₂O), триглицинсульфат ((NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄), дигидрофосфат натрия (KH₂PO₄), нитрат натрия (NaNO₂) и др.

Б

Рис.8.2. Идеальная форма кристалла кварца и его главные оси. а-левый кварц б-правый кварц

ольшинство сегнетоэлектриков первой группы имеют значительно более высокую Т_к и большее значение спонтанной поляризованности, чем сегнетоэлектрики второй группы.

Пьезоэлектрики

К пьезоэлектрикам относят диэлектрики, способные поляризоваться под действием механических напряжений. При этом возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд (q) линейно зависит от действующей силы (F):q=d·F.

Коэффициент пропорциональности dназывается пьезомодулем. Значение пьезомодуля используемых на практике материалов составляет около 10^-10Кл/Н. Пьезоэффект обратим: при действии электрического поля пьезоэлектрики изменяют свои размеры (так называемая электрострикция).

Одним из распостраненых пьезоматериалов является монокристаллический кварц. Это одна из модификаций двуокиси кремния. Пьезосвойства существуют лишь у -кварца, устойчивого до температуры 573^оС. Выше этой температуры изменяется тип структуры, и пьезосвойства исчезают. Крупные природные кристаллы кварца получили название горного хрусталя. Обычно природные кристаллы имеют форму шестигранной призмы (рис.8.2), что отражает симметрию внутреннего строения. В кристаллах кварца принято различать три главные оси, образующие прямоугольную систему координат: Х-электрическая ось, проходящая через вершины шестиугольника поперечного сечения (таких осей имеется три), Y-механическая ось, перпендикулярная сторонам шестиугольника (тоже три),Z-оптическая ось, проходящая через вершины кристалла. Пластинки, вырезанные перпендикулярно оптической оси, не обладают пьезоэффектом. Наибольший заряд создается в том случае, когда пластины вырезаны перпендикулярно электрической оси Х. Если заряды на больших гранях пластинки образуются при действии силы по оси Х, то пьезоэффект называют продольным (при этом пьезомодуль кварцаd₁₁=2,310^-12Кл/Н). Если заряды на тех же гранях возникают в результате приложения усилий к боковым граням пластинки, то пьезоэффект называют поперечным. При изменении действующих сил (сжимающих или растягивающих) знаки электрических зарядов на гранях меняются.

Ввиду ограниченности запасов природного кварца основные потребности пьезотехники удовлетворяются искусственно выращенными кристаллами. Их получают гидротермальным методом. Кристаллизация происходит из водно-щелочных растворов в стальных автоклавах большой емкости при Т=350-400^оС и давлениях порядка 100 МПа. Из-за малой растворимости кремнезема в водных растворах длительность одного цикла выращивания составляет несколько месяцев.

П

Рис.8.3. Состояние зарядов электрета с течением времени.

1-гомозаряд, 2-гетерозаряд, 3-поляризующий электрод.

омимо кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония, а также ниобат и танталат лития.

Широкое применение в качестве пьезоматериала находит сегнетоэлектрическая керамика. Для придания нужных свойств ее подвергают воздействию сильного электрического поля, после чего в материале сохраняется устойчивая поляризованность. Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любого размера и формы. Наибольшее распространение нашла пьезокерамика на основе твердых растворов PbZrO₃-PbTiO₃ (цирконат-титанат свинца или ЦТС-керамика),BaNb₂O₆-BaNb₂O₆,NaNbO₃-NaNbO₃и др.