Piezoelectrics - studopediya

През 1880 братя и P. J. Кюри откриват директно пиезоелектрически ефект - появата на електростатични заряди на разреза на плоча от кварцов кристал под въздействието на механично напрежение. Тези такси са пропорционални на механичното напрежение, променят своя знак заедно с тях изчезват след прогонване на стреса.

Заедно с директен пиезоелектрически ефект и обратния пиезоелектрически ефект се наблюдава, когато електрическо поле възниква механична деформация на кристала, степента на механичната деформация е пряко пропорционална на електрическото поле.

Обратният пиезоелектричен ефект не трябва да се бърка с електрострикционната - деформационните диелектрици под въздействието на електрическо поле. Електрострикционната се наблюдава както в твърди диелектрици и течност, а пиезоелектрически ефект се наблюдава само в твърди диелектрици със специфична кристална структура. Също така, когато се наблюдава електрострикционната квадратичен зависимостта между напрегнатост на полето и деформация, докато пиезоелектричен - линейна зависимост.

В пиезоелектрически ефект се наблюдава само когато кристалната решетка е асиметрична. Липса кристален център на симетрия на кристалната решетка е необходимо, но недостатъчно условие за появата на пиезоелектрическия ефект.

Както беше отбелязано по-горе, преките пиезоелектрични такси върху повърхността на диелектрик е пропорционално на приложената сила.

Когато Q - количество заряд, F - стойност на приложена сила, г - фактор пропорционалност между обвинението и приложената сила, наречена piezomodulus.

Разделяне на размера на такса и силата, приложена върху площ S, получаваме

където: QS - плътността на повърхностен заряд, P - поляризация, и - напрежения.

За случая на обратния пиезоелектрически ефект пиезоелектричен модула отнася величината на относителната деформация на кристала с електрическо поле

Важно е да се отбележи, че тези отношения са качествени, само в природата. Действителната описанието на пиезоелектричен ефект е много по-трудно. Фактът, че механичното натоварване е количество тензор с шест независими компоненти, докато поляризацията е количество вектор. Затова piezomodulus установяване на комуникацията между вектора на поляризация и механични напрежения е трети ранг тензор, който има 18 независими компоненти. тензор форма уравнение напред и обратни ефекти пиезоелектрични поема в следната форма:

където I = 1,2,3 - компоненти на вектора на поляризация; J = 1,2 ... 6 - тензорни компоненти на механични напрежения и деформации.

В допълнение към пиезоелектрични друга важна характеристика на пиезоелектричен електромеханично коефициент свързване к. Площадът на това съотношение е съотношението на механичната енергия към общата електрическа енергия, получена от източника на захранване.

Вече е известно, голяма част от веществата с пиезоелектрични свойства, включително - всички ferroelectrics. Въпреки това, не всички пиезоелектричен материал, намерен техническо приложение.

Един от най-известните е пиезоелектричен единичен кристал на кварц - безводен силициев диоксид кристализация на триъгълна trapetsoedricheskom клас шестоъгълна система. Големи природни ясни кварцови кристали се наричат ​​планински кристал. Кристалите кварцови да разграничат три основни оси: X - ос, преминаваща през върховете на шестоъгълник напречно сечение (такива оси 3); Y - ос, перпендикулярна на осите на шестоъгълник напречно сечение (като трите оси); Z - оста, минаваща през върха на кристала.

Кварцов рязане плоча, перпендикулярна на оста Z. не трябва пиезоелектрически ефект. Най-голям ефект се наблюдава в плочи, нарязани перпендикулярна на оста X.

Полиран кварц равнина паралелна плоча електроди и притежателят е пиезоелектричен резонатор, т.е. верига резервоар с някои резонанс честотни трептения. Резонансната честота зависи от посоката на дебелината плоча и нарязани. Предимствата на кварцови резонатори е малък ТР и висока механична фактор качество. Поради високата механична качеството кварцови кристали се използват като високо селективен филтър, както и за стабилизиране и честота калибриране генератори. Едно от основните изисквания за такива резонатори е температура стабилността на резонансна честота. Това изискване е изпълнено табела специални разфасовки наклонени спрямо основните оси.

Физически кварцови кристали обикновено съдържат дефекти намаляване на стойността им. Следователно, основните изисквания са изпълнени pezotehniki изкуствени кристали произхождащи от силициев богати алкални разтвори.

В допълнение към кварц, като материали за пиезоелектричните елементи са широко използвани ниобат и литиев tantalate. По своята същност, тези материали са ferroelectrics. За да придаде пиезоелектрични свойства произвеждат темперирани в силно електрическо поле, което извършва създаването на държавна единичен домейн.

По същия начин, може да бъде превърнато в пиезоелектричен фероелектричен състояние. Поляризирани фероелектрична нарича пиезокерамични. Piezoceramics преди монокристали има предимството, че могат да бъдат направени на активен елемент с произволна форма и размер. Като материал за пиезоелектрични керамика се използва въз основа на твърди разтвори на бариев титанат, олово титанат-цирконат, олово metaniobate.

Пиезокерамични материали могат да бъдат разделени в четири функционални групи. Материали Група 1, използвани за производство на високо чувствителни елементи, работещи в режим на приемане, радиация или механични вибрации. За такива материали изисква висока пиезоелектричен модул. Материали от група 2 се използват за производството на силни сигнали генератори, работещи в условията на високи електрически полета или високи механични натоварвания. За такива материали се нуждаят от високо електрическо съпротивление. Група 3 Материалите, използвани за производството на пиезоелектрическите елементи, които имат повишена стабилност на резонансната честота в зависимост от температура и време. Материали от група 4 се използват за производството на висококачествени пиезоелектрични елементи.

Материали, базирани на бариев титанат. Най-евтиният материал е пиезокерамични TB-1 (BaTiO3). Отсъствие в летлив компонент по време на изпичане и лекота на технологията на производство прави така, че широко. По-голяма стабилност на характеристиките на температурата има твърд разтвор на бариев титанат и калций, допълнена с кобалт (ТАС-3) и бариев титанат калций и олово (TBKS).

Материали, базирани на твърди решения титанат - оловен цирконат. Въз основа на тези твърди разтвори разработи серия от пиезоелектрични материали, PZT носене конвенционален име (чужбина PZT). Съставът на тези материали се основава на твърд разтвор, съдържащ 53-54% от оловен цирконат и 46-47% олово титанат. За да се подобрят характеристиките на добавки в разтвор на основната маса стронций титанат са въведени, както и няколко оксиди - ниобий оксиди, тантал, лантан, неодим и др.

Температурата на Кюри на тези материали над 250 ° С, и те не са преходи фаза ниски температури, което води до висока стабилност на диелектрична константа и пиезоелектрични характеристики в сравнение с керамика, базирани на олово титанат. Технологията за производство на изделия от PZT се усложнява от факта, че съставът на PZT включва летлив оловния окис, който се е изпарил по време на стрелба. Това води до лошо възпроизводимост на свойства, така изпичане piezoelements заготовки, произведени в атмосфера на олово пари оксид.

Материали, базирани на олово metaniobate. Твърдите разтвори metaniobates олово и барий ((Pb, Ва) NB2 О3), съдържащи 40-50% metaniobate, барий, имат висока температура на Кюри (над 250 ° С) на точката; те също липсва преходите фаза ниска температура. технология за производство на продукти са по-прости, така че материалите NBS марки процъфтяват.

Свойства на някои пиезоелектрични материали са дадени в таблица 1.

Таблица 1 Характеристики на различни piezoceramics.