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.

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.