Пьезоэлектрики. - раздел Химия, Некоторые вопросы строения веществ В 1880 Году Братьями П. И Ж. Кюри Был Открыт Прямой Пьезоэффект – Возникновен...
В 1880 году братьями П. и Ж. Кюри был открыт прямой пьезоэффект – возникновение электростатических зарядов на пластинке, вырезанной из кристалла кварца, под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают после снятия напряжений.
Наряду с прямым пьезоэффектом, наблюдается и обратный пьезоэффект, когда под действием электрического поля возникает механическая деформация кристалла, причем величина механической деформации прямо пропорциональна напряженности электрического поля.
Обратный пьезоэффект не следует смешивать с электрострикцией – деформацией диэлектриков под действием электрического поля. Электрострикция наблюдается как в твердых диэлектриках, так и жидких, тогда как пьезоэффект наблюдается только в твердых диэлектриках с определенной кристаллической структурой. Кроме того, при электрострикции наблюдается квадратичная зависимость между напряженностью поля и деформацией, а при пьезоэффекте – зависимость линейная.
Пьезоэлектрический эффект наблюдается только тогда, когда кристаллическая решетка несимметрична. Отсутствие центра симметрии кристалличе кристаллической решетки является необходимым, но недостаточным условием появления пьезоэлектрического эффекта.
Как отмечалось выше, при прямом пьезоэффекте заряды на поверхности диэлектрика пропорциональны приложенной силе.
Где Q – величина заряда, F – величина приложенной силы, d - коэффициент пропорциональности между зарядом и приложенной силой, называемый пьезомодулем.
Поделив величину заряда и приложенную силу на площадь S, получим
или 
( 4)
где: qs – поверхностная плотность зарядов, Р – поляризация, s - механические напряжения.
Для случая обратного пьезоэффекта пьезомодуль связывает величину относительной деформации кристалла с напряженностью электрического поля
( 5)
Важно отметить, что приведенные соотношения имеют лишь качественный характер. Реальное описание пьезоэлектрического эффекта намного сложнее. Дело в том, что механическое напряжение является тензорной величиной, имеющей шесть независимых компонентов, тогда как поляризация является векторной величиной. Поэтому пьезомодуль, устанавливающий связь между вектором поляризации и механическими напряжениями, является тензором третьего ранга, имеющим 18 независимых компонентов. В тензорной форме уравнение прямого и обратного пьезоэффектов принимает следующий вид:
( 6)
( 7)
где i = 1,2,3 – компоненты вектора поляризованности; j = 1,2…6 – компоненты тензора механических напряжений или деформаций.
Помимо пьезомодуля еще одной важной характеристикой пьезоэлектриков является коэффициент электромеханической связи k. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение механической энергии к полной электрической энергии полученной от источника питания.
Пьезоэлетрические материалы
В настоящее время известно большое количество веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе – все сегнетоэлектрики. Однако не все пьезоэлектрические материала нашли техническое применение.
Одним из наиболее известных пьезоэлектриков является монокристаллический кварц – безводный диоксид кремния, кристаллизующийся в тригонально-трапецоэдрическом классе гексагональной сингонии. Крупные природные прозрачные кристаллы кварца получили название горного хрусталя. В кристаллах кварца принято различать три главные оси: Х – ось, проходящую через вершины шестиугольника поперечного сечения (таких осей 3); Y - ось, перпендикулярную осям шестиугольника поперечного сечения (таких осей также три); Z – ось, проходящую через вершины кристалла.
Пластинки кварца, вырезанные перпендикулярно оси Z, не обладают пьезоэлектрическим эффектом. Наибольший эффект наблюдается в пластинках, вырезанных перпендикулярно оси Х.
Плоскопараллельная полированная пластинка кварца с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, то есть является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний. Резонансная частота зависит от толщины пластинки и направления среза. Преимуществами кварцевых резонаторов является малый tgd и высокая механическая добротность. Благодаря высокой механической добротности кварцевые резонаторы используют в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты в генераторах. Одним из важнейших требований к таким резонаторам является температурная стабильность резонансной частоты. Этому требованию удовлетворяют пластинки специальных косых срезов по отношению к главным осям.
Природные кристаллы кварца, как правило, содержат дефекты, снижающие их ценность. Поэтому основные потребности пьезотехники удовлетворяются искусственными кристаллами, выращиваемыми из насыщенных кремнием щелочных растворов.
Помимо кварца, в качестве материалов для пьезоэлектрических элементов широко используют ниобат и танталат лития. По своей природе данные материалы являются сегнетоэлектриками. Для придания им пьезоэлектрических свойств производят отжиг в сильном электрическом поле, что проводит к созданию монодоменного состояния.
Аналогичным образом можно перевести в пьезоэлектрическое состояния сегнетокерамику. Поляризованную сегнетокерамику называют пьезокерамикой. Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент любой формы и размера. В качестве материала для пьезокерамики используют твердые растворы на основе титаната бария, титаната-цирконата свинца, метаниобата свинца.
Пьезокерамические материалы принято разделять на четыре функциональные группы. Материалы группы 1 используют для изготовления высокочувствительных элементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний. Для таких материалов необходим большой пьезомодуль. Материалы группы 2 используют для изготовления генераторов сильных сигналов, работающих в условиях сильных электрических полей или высоких механических напряжений. Для таких материалов необходимо высокое удельное электрическое сопротивление. Материалы группы 3 используют для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью резонансных частот в зависимости от температуры и времени. Материалы группы 4 используются для изготовления высокотемпературных пьезоэлементов.
Материалы на основе титаната бария. Наиболее дешевым материалом является пьезокерамика ТБ-1 (BaTiO3). Отсутствие в составе летучих при обжиге компонентов и простота технологии изготовления обусловливают его широкое распространение. Большей температурной стабильностью характеристик обладают твердые растворы титанатов бария и кальция с добавкой кобальта (ТБК-3) и титанатов бария кальция и свинца (ТБКС).
Материалы на основе твердых растворов титаната – цирконата свинца. На основе этих твердых растворов разработана серия пьезоэлектрических материалов, носящих условное название ЦТС (за рубежом PZT). Состав этих материалов базируется на твердом растворе, содержащем 53-54% цирконата свинца и 46-47% титаната свинца. Для улучшения характеристик в основной раствор вводятся добавки титаната стронция, а также ряд оксидов – оксиды ниобия, тантала, лантана, неодима и др.
Температура Кюри этих материалов превышает 250 °С, и у них отсутствуют низкотемпературные фазовые переходы, что приводит к большой стабильности диэлектрической проницаемости и пьезомодуля по сравнению с характеристиками керамики на основе титаната свинца. Технология получения изделий из ЦТС усложнена тем, что в состав ЦТС входит летучий оксид свинца, который улетучивается при обжиге. Это обстоятельство приводит к плохой воспроизводимости свойств, поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов производят в атмосфере паров оксида свинца.
Материалы на основе метаниобата свинца.Твердые растворы метаниобатов свинца и бария ((Pb,Ba)Nb2O3), содержащие 40-50% метаниобата бария, имеют высокую температуру точки Кюри (свыше 250 °С); у них также отсутствуют низкотемпературные фазовые переходы. Технология изготовления изделий из них проще, поэтому материалы марок НБС получили широкое распространение.
Свойства некоторых пьезокерамических материалов приведены в таблице 1.
Все темы данного раздела:
Межатомное взаимодействие.
Рис.1. Зависимость сил взаимодействия между атомами (а) и энергии потенциального взаимодейс
Типы химических связей.
Для облегчения понимания межатомного взаимодействия мы будем рассматривать типы химической связи в несколько упрощенном виде, а именно, рассмотрим: а) гомеополярную, или ковалентную связь, б) гетер
Кристаллическая структура твердых тел.
При невысокой энергии системы ионы находятся в потенциальных ямах (см. рис.1б), и расположение ионов становится упорядо
Точечные дефекты решетки
К ним относятся атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемен
Линейные дефекты кристаллической решетки.
Многочисленные исследования изменения стру
Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен. Для понимания природы появления дефектов упаковки обратимся к геометрии заполнения кристаллической решетки в плотноупако
Энергетические дефекты кристаллической решетки.
Как отмечалось выше, один или несколько атомов в кристаллической решетке могут обладать повышенной энергией. В этом случае принято говорить об энергетических дефектах кристаллической решетки. К эне
Основы теории сплавов
Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются главным образом путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быт
Элементы зонной теории твердых тел
Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов движущихся в периодическом поле кристаллической решетки.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Диэлектрическими принято называть материалы, имеющие низкую плотность подвижных носителей заряда (ионов и электронов), поэтому удельное электрическое сопротивление таких материалов в 1012 - 1025 ра
Влияние температуры на электропроводность диэлектриков
При повышении температуры энергия системы повышается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возр
Влияние напряженности поля на электропроводность диэлектриков
При сравнительно небольших значениях напряженности поля электропроводность диэлектриков следует закону Ома. Однако при повышении напряженности поля электропроводность перестает следовать закону Ома
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Поляризацией называется такое состояние диэлектрика, когда суммарный электрический момент отличен от нуля. Появление поляризации является следствием воздействия различных факторов:
Упругая поляризация
Упругая поляризация не связана с тепловым движением молекул. К ней относятся следующие виды поляризации:
а) поляризация упругого электронного смещения;
б) поляризация ионного упру
Виды поляризации релаксационного типа.
В ряде диэлектриков электроны ионы и дипольные молекулы могут скачком переходить из одного положения в другое. Эти переходы осуществляются частицами благодаря получению ими энергии при тепловых кол
Особенности поляризации в активных диэлектриках
Под активными диэлектриками принято понимать диэлектрики, поляризация которых происходит не только под действием внешнего поля, но и под действием других факторов: механических усилий, температуры,
Диэлектрические потери
Под действием электрического поля в диэлектрике развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрическо
Влияние температуры на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков
С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при
Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков.
С увеличением частоты электрического поля д
Влияние температуры на тангенс угла потерь в полярных диэлектриках
В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее
Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриков
Как отмечалось выше, при нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического по
Пробой диэлектриков
Под пробоем диэлектриков понимают потерю ими диэлектрических свойств. Принято различать напряжение пробоя (Uпр) и электрическую прочность (Епр).
Напряжение пробоя это
Электрический пробой газов
Увеличение плотности ионов в диэлектриках (пробой) может быть вызвано развитием ударной ионизации или ионной ионизации. Для развития ударной ионизации необходимо выполнение условия:
Eql=mv
Влияние частоты электрического поля на электропрочность газов
Взаимодействие ионов, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа приводит к образованию дополнительного количества положительных ионов и электронов. Внешнее электрическое поле разносит ионы
Электрический пробой твердых диэлектриков
При рассмотрении электрического пробоя в твердых диэлектриках следует иметь в виду, что электрическая прочность зависит не только от материала, но и от формы изолятора. Дело в том, что в твердых ди
Электротепловой пробой диэлектриков.
При нахождении диэлектрика в электрическом поле, часть энергии электрического поля рассеивается в диэлектрике из-за диэл
Электрохимический пробой диэлектриков.
Данный вид пробоя обусловлен тем, что при длительном нахождении в электрическом поле происходит изменение химического состава диэлектрика. Чем выше напряженность электрического поля, тем сильнее во
Общие положения
По характеру взаимодействия с магнитным полем все материалы принято делить на слабо взаимодействующие и сильно взаимодействующие материалы. Мерой взаимодействия материалов с магнитным полем являетс
Природа ферромагнетизма.
Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, а следовательно, имеются магнитные диполи. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была понята электронн
Доменная структура ферромагнетиков.
Магнитные моменты соседних атомов ферромагнетиков ориентированны параллельно, однако в кристалле достаточно большой вели
Кривая намагничивания
При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле векторы намагниченности каких-либо доменов окажутся совпавшими и
Электротехническая сталь
Низкое электрическое сопротивление железа приводит к тому, что в переменных полях в железе возникают большие потери на вихревые токи и снижается магнитная проницаемость. При легировании железа крем
Магнитомягкие материалы для работы в слабых полях
Для материалов, работающих в слабых полях, чрезвычайное значение имеет высокое значение начальной магнитной проницаемости. Иначе говоря, для таких материалов важна большая подвижность границ домено
Магнитомягкие материалы, предназначенные для работы в высокочастотных полях.
В высокочастотных полях резко возрастают потери на вихревые токи. Поэтому в высокочастотных полях используют материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением – магнитодиэлектрики, ферромаг
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материала идут на изготовление постоянных магнитов, запасенная магнитная энергия которых оценивается как произведение остаточной индукции на величину коэрцитивной сил
Промышленные магнитотвердые материалы.
Самыми «старыми» магнитотвердыми материалами являются углеродистые стали, закаливаемые на мартенсит. Для понимания природы повышения коэрцитивной силы при закалке сталей следует рассмотреть диаграм
Дисперсионно твердеющие сплавы
К таким сплавам относятся сплавы системы Fe-Ni-Al. При высоких температурах алюминий и никель растворяются в аустените, но при резком охлаждении образуется пересыщенный раствор леги
Деформируемые магнитотвердые материалы.
Как правило, магнитотвердые материалы непластичны, поскольку дисперсные частицы выделений, препятствующие смещению границ доменов, затрудняют движение дислокаций. Однако в ряде случ
Магнитотвердые ферриты
Из магнитотвердых ферритов наиболее известен бариевый феррит BaOґ6Fe2O3 (ФБ, ферроксдюр). В отличие от магнитомягких ферритов он имеет не кубическую, а гексагональную решетку
Проводниковые материалы
Все проводниковые материалы можно условно разделить на три группы: 1) материалы высокой электропроводности, используемые для изготовления проводников; 2) металлические материалы высокого удельного
Материалы высокой электропроводности.
К материалам высокой электропроводности предъявляются следующие требования:
· Высокая электропроводность
· Высокая механическая прочность
· Технологичност
Серебро
Наибольшую электропроводность из всех металлов имеет серебро. При комнатной температуре его удельное электрическое сопротивление составляет 0,0150 мкОм´м. Серебро пластично - относительное уд
Алюминий
Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раз выше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря этому при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в
Материалы высокого удельного сопротивления.
Материалы высокого электрического сопротивления используются для поглощения электрической энергии и преобразования ее в тепло. Очевидно, что к таким материалам будут предъявляться следующие требова
Сплавы на основе меди.
Константан. Твердый раствор 40% никеля в меди, точнее 40%Ni, 1,5%Mn, остальное медь. Этот сплав маркируется как НММц 58,5-1,5. Наименование этого сплава подчеркивает неизменность е
Никель-хромовые сплавы.
Нихромы. Классическим никель-хромовым сплавом является сплав Х20Н80 (20%Cr, 80%Ni). При комнатной температуре в никеле растворяется 20% хрома. При этом хотя и сохраняется ГЦК решет
Железохромалюминиевые сплавы
Типичным представителем этой группы сплавов является сплав 0Х27Ю5 (23%Cr, 5%Al, остальное железо). Сплав отличается высоким удельным сопротивлением (r=1,1 мкОм´м). Замена никеля на железо при
Материалы электрических контактов
В электрических машинах и аппаратах могут встречаться только две неисправности: пробой изоляции (наличие нежелательных контактов) и отсутствие контакта в нужном месте. В этой связи надежность элект
Зажимные контакты
В зажимных контактах («клеммы», болтовые соединения и т.д.) действительная поверхность контакта заметно меньше поверхности налагаемых друг на друга проводников. Это связано с наличием на поверхност
Материалы разрывных контактов.
Разрывные контакты периодически замыкаются и размыкаются. При этом между контактными площадками образуется электрическая дуга. Возникновение дуги ведет к росту температуры, а, следовательно, к сниж
Материалы скользящих контактов.
В основном, к материалам скользящих контактом предъявляются те же требования, что и к материалам разрывных контактов. Од
Полупроводниковые материалы
Полупроводниками принято называть вещества, электропроводность которых обусловлена перемещением электронов, возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагрев, облучение светом, наложение
Элементарные полупроводники.
Среди элементарных полупроводников наибольшее техническое применение нашли кремний и германий. Рассмотрим некоторые их свойства. Кремний и германий относятся к элементам 4 группы, также как углерод
Полупроводниковые химические соединения.
Полупроводниковыми свойствами обладают многие химические соединения. В химии полупроводниковых соединений приняты обозначения типа AIIIBV, где AIII – элемент третье
Активные диэлектрики
Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий - температуры, давления, напряженности поля и та
Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.
В отсутствии внешнего электрическ
Электреты.
Электретами называют диэлектрики, длительное время сохраняющие электризованное состояния после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. Электреты являются формальными аналогами пост
Жидкие кристаллы
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, вернее, первым, кто понял, что это самостоятельное агрегатное состояние вещества, был австрийский ученый Рейнитцер. Исследуя синтезированное им вещество холе
Оптические свойства нематиков.
Как отмечалось ранее, весь объем жидких кристаллов разбивается на домены, вследствие чего возникает оптическая неоднородность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Такие жидкие кристаллы выг
Оптические свойства холестериков
При нахождении холестерика в электрическом или магнитном поле происходит искажение шага спирали молекулы. В полях достаточно большой напряженности при положительной диэлектрической или магнитной ан
Оптические свойства смектиков.
Смектики - это наиболее обширный класс жидких кристаллов. Причем некоторые разновидности смектиков обладают сегнетоэлект
Суперионные проводники.
Суперионными проводниками называют диэлектрики с ионной связью, проводимость которых резко возрастает при достижении некоторой температуры, меньшей температуры плавления. Этот эффект связывают с та
Материалы твердотельных лазеров.
Диапазон работы современных твердотельных лазеров охватывает ультрафиолетовую, видимую и ближайшую инфракрасную области спектра.
Материалы, предназначенные для изготовления лазеров, должны
Гранаты
Применение гранатов в современной квантовой электронике объясняется удачным сочетанием оптических, теплофизических и механических свойств. Наибольшее распространение получил иттрийалюминевый гранат
Кристаллы вольфраматов и молибдатов
Вольфраматы и молибдаты двухвалентных и одновалентных металлов относятся к структурному типу шеелитов. Их активизируют редкоземельными элементами, в основном, неодимом. Большой набор соединений так
Новости и инфо для студентов