Материалы пьезоэлектриков

Пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удель­ным сопротивлением. В достаточно проводящих средах пьезоэлектри­ческая поляризация быстро ком­пенсируется свободными носителя­ми заряда. Поскольку любой ди­электрик обладает некоторым то­ком утечки, все применения пьезо­эффекта связаны c переменными (быстропротекающими) процесса­ми.

Известно более тысячи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе - все сегнетоэлектрики. Однако практиче­ское применение в пьезотехнике находит ограниченный круг мате­риалов. Среди них одно из важных мест занимает монокриcталлический кварц. Это одна из модификаций двуокиси кремния. Пьезосвойства существуют лишь у b-кварца, устойчивого до температуры 573°С. Выше этой температуры изменяется тип структу­ры и пьезосвойства исчезают.

Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического ма­териала находит сегнетоэлектрическая керамика. В обычном состоя­нии сегнетокерамика не проявляет пьезоактивности, поскольку является изотропной средой вследствие хаотического расположения от­дельных кристаллических зерен и деления их на домены с различным направлением спонтанной поляризованности. Однако, если подвергнуть сегнетокерамику воздействию сильного электрического поля, то поляризованность доменов получит преимущественную ориентацию в одном направлении. После снятия поля сохраняется устойчивая оста­точная поляризованность, материал становится текстурированным. По своим свойствам поляризованный сегнетокерамический образец близок к однодоменному кристаллу, т. е. обладает высокой пьезоактивностью. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для исполь­зования в пьезоэлектрических преобразователях, называют пьезокерамикой. Для придания пьезоэлект­рических свойств сегнетоэлектрические кристаллы LiNbO₃ и LiTaO₃ переводят в монодоменное состояние путем отжига в сильном электри­ческом поле при температуре несколько ниже точки Кюри.

Пьезокерамика имеет перед монокристаллами то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы (например, полый цилиндр, являющийся частью гидролокатора). Применение чистого титаната бария ограничивается нежелательным фазовым переходом при температуре, близкой к ком­натной. В точке фазового перехода происходит частич­ная деполяризация керамики, что существенно снижает пьезочувствительность элементов.

Основным материалом для изготовления пьезокерамических эле­ментов являются твердые растворы PbZrO₃-РbТiO₃ (цирконат-титанат свинца или сокращенно ЦТС). Эта керамика широко использу­ется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механичес­кой обработки материалов. Такие ультразвуковые генераторы применя­ются также в химической промышленности для ускорения различных процессов (эмульсификаюры, полимеризаторы, стерилизаторы и т. п.) и в полупроводниковой технологии для эффективной отмывки и обез­жиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны.

Дата добавления: 2014-01-20