Общие свойства пьезоэлектриков

Пьезоэлектрики – класс диэлектриков и полупроводников, в которых электрическая поляризация возникает при наложении внешних упругих напряжений. В пьезоэлектриках при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля от внешних источников питания (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэффект – появление механических деформаций под действием электрического поля. Пьезоэффект наблюдается только в кристаллах, не имеющих центра симметрии, а таких кристаллографических классов – 20 из всех 32 классов. К пьезоэлектрикам относятся также пироэлектрики (10 классов из 20 пьезоэлектрических) и сегнетоэлектрики (4 класса из 10 пироэлектрических). Уравнение пьезоэлектрического эффекта для одномерного напряженного состояния с механическими напряжениями (сжатия-растяжения), при наложении внешнего электрического полявдоль оси деформирования и совпадении оси деформирования с одной из пьезоэлектрических осей кристалла имеет вид:

. (1)

В этом выражении– пьезоэлектрический модуль, - диэлектрическая восприимчивость пьезоэлектрика (диэлектрическая восприимчивость при постоянной деформации), – модуль вектора поляризации вдоль выбранной оси кристалла. Эта величина представляет собой плотность связанного с поверхностью электрического заряда. Вектор поляризации представляет собой суммарный электрический дипольный момент единицы объема твердого тела и определяется по формуле:

Для обратного пьезоэлектрического эффекта справедливо соотношение, которое в одномерном случае выглядит как:

. (2)

В соотношении (2) величина – упругая деформация, – постоянная упругой податливости, - пьезоконстанта, выражающая связь упругих деформаций с модулем вектора электрической поляризации кристалла. В отличие от электрострикции - деформации, пропорциональной квадрату напряженности приложенного электрического поля, упругая деформация пьезоэлектрика, возникающая в электрическом поле пропорциональна первой степени напряженности электрического поля. Компонента вектора поляризации вдоль одной из главных осей , при наличии тензора упругих напряжений , и отсутствии электрического поля от внешних источников питания определяется как:

,

где - тензор пьезомодуля. Основные технические характеристики пьезоэлектрика, используемые в преобразователях электрической энергии в механическую энергию, могут быть охарактеризованы следующими параметрами, в системе СИ:

· коэффициент электромеханической связи

,

здесь параметр – модуль упругости материала, определяемый соотношением:

;

· отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату амплитуды напряженности электрического поля в нем, определяется величиной :

.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают не только монокристаллы, но и пьезокерамика, представляющая собой спеченные (на связке) поликристаллы материалов, входящих в отмеченные выше 20 кристаллографических классов, обладающих пьезоэффектом. Для получения пьезоэлектрических свойств такие образцы необходимо подвергать технологическому процессу поляризации. Свойствами пьезоэлектриков обладают и некоторые полимеры и пьезокомпозиты – полимеры, с внедренными поликристаллами пьезоэлектриков. Пьезоэлектрики применяют в качестве электромеханических (пьезоэлектрических) преобразователей для получения приемников и мощных излучателей звука. КПД пьезоэлектрических преобразователей может достигать %. Кроме того, пьезоэлектрики находят применение в качестве пьезоэлектрических высокодобротных резонаторов и фильтров сигналов. Пьезоэлектрические фильтры представляют собой устройства, эффективно пропускающие электрические сигналы на нужных частотах и подавляющие сигналы на остальных частотах. Это, как правило, полосовые фильтры. Они изготавливаются на основе керамики, являются многозвенными и настраиваются на частоты . На частотах до 3.5 кГц используют пьезоэлементы в виде прямоугольных параллелепипедов, которые при приложении к ним пременного напряжения испытывают изгибные колебания. В диапазоне кГц у таких фильтров имеют место колебания по длине (т.е. – деформации растяжения – сжатия). В диапазоне кГц используют фильтры в виде дисков, которые совершают радиальные колебания, а на частотах свыше 1МГц в фильтрах используются колебания пьезоэлектрических колец с изменением толщины.

Параметры пьезоматериалов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры пьезоматериалов

Пьезоэлектрик	Плотность, 103 кг/м3	Диэлектрическая проницае мость, e	Пьезо- Модуль , d, 10-12 Кл/Н	tgde, 102
Кварц	2,6	4,5	2,3	<0,5
Сегнетова соль KNaC4H4O6 *4H2 O	1,77			>5
Титанат-цирконат свинца(цтс)	7,5
Пьезокерамика –титанат бария BaTiO3	5,3