Пьезоэлектрические материалы и их использование

Пьезоэлектрические свойства имеют много веществ, но практически используются только некоторые.

Прежде всего, это кварц (SiО₂). Пьезоэлектрические свойства присущи только β -кварцу до температуры 573 ⁰С. Кварц имеет форму шестигранной призмы (рис. 2.34). В кристаллах кварца выделяют три главных оси: X - электрическая; Y - механическая; Z - оптическая.

Пластины кварца, вырезанные перпендикулярно оси Z, не имеют прямого и обратного пьезоэффектов. Максимальный пьезоэффект имеют пластины, вырезанные перпендикулярно электрической оси Х.

Если взять плоскопараллельную пластину кварца, нанести на ее боковые поверхности металлические электроды и поместить в держатель, то будем иметь пьезоэлектрический резонатор с определенной резонансной частотой. Последняя зависит от толщины пластины и направления кристаллографического разреза. Преимуществом кварцевых резонаторов является очень большая добротность (до 10⁶-10⁷), что обеспечивает высокую частотную избирательность кварцевых резонаторов. Такие резонаторы используют для стабилизации частоты генераторов, в качестве фильтров.

Из других веществ следует отметить применение кристаллов турмалина (сложные алюмоборосиликаты), используемые для резонаторов на частотах больших, чем кварцевые резонаторы.

Значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности на больших частотах, представляют ниобат и танталат лития (LiNbО₃ и LiTaО₃). Но для того чтобы LiNbО₃ и LiTaО₃ имели пьезоэлектрические эффекты, их приводят в монодоменное состояние отжигом в сильном электрическом поле. Очень широко распространена, как пьезоэлектрик, сегнетокерамика (пьезокерамика). Ее изготовляют на основе твердых растворов PbZrО₃ - PbTiО₃ и обязательно поляризуют в сильном электрическом поле.

Такие материалы используют для построения мощных ультразвуковых излучателей для дефектоскопии, механической обработки материалов, гидроакустики. Из пьезокерамики изготовляют микрофоны, телефоны, громкоговорители, датчики давления, деформации, ускорений. Двойное превращение энергии используют для фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов. Последние позволяют получать большие напряжения и используются для питания электронно-лучевых трубок, счетчиков Гейгера и др.