Что значит "пьезоэлектрические материалы"

вещества с ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектрический эффект). Пьезоэлектрическими материалами являются некоторые монокристаллы (кварц, дигидрофосфаты калия и аммония, сульфат лития), а также поликристаллические твердые растворы после поляризации в электрическом поле (пьезокерамика).

кристаллические вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектричество ), применяемые для изготовления электромеханических преобразователей: пьезоэлектрических резонаторов, пьезоэлектрических датчиков , излучателей и приёмников звука и др. Основными характеристиками П. м. являются:

1. коэффициент электромеханической связи ═, где d ≈пьезомодуль, Е ≈ модуль упругости, e ≈ диэлектрическая проницаемость (в анизотропных П. м. все эти и нижеследующие величины ≈ тензорные);

2. величина k2Itgd, определяющая кпд преобразователя (d ≈ угол диэлектрических потерь);

3. отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрического поля в нём; определяется величиной (dE)2;

4. ═и ═определяют чувствительность приёмника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах (сзв ≈ скорость звука в П. м.). В табл. приведены характеристики некоторых наиболее распространённых П. м. К П. м. в зависимости от назначения предъявляются специальные требования: высокая механическая и электрическая прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т.д.

   Основные характеристики наиболее распространенных пьезоэлектрических материалов при температуре 16≈20 ╟С

   Плот- ность, r кг/м3

   Ско- рость звука, Сзв, 103м/сек

   Диэлект- рическая проницаемость, e

   Пьезо- модуль, d, 1012 к/н

   Тангенс угла диэлект- рических потерь, tg d×102

   Коэф- фициент электро- механи- ческой связи k

   k2/tgd

   Примеча- ние

   Кварц

   2,6

   5,47(11)

   4,5(11)

   2,31(11)

   < 0,5

   0,095

   >0,4

   срез x

   Дегидрофосфат аммония (АДР)

   1,8

   5,27(33)

   21,8

   24(36)/2

   < 1

   0,3

   >8

   срез 45╟

   Сульфат лития

   2,05

   4,7(33)

   10,3(22)

   18,3(22)

   < 1

   0,37

   >10

   относите- льно оси z

   Сегнетова соль

   1,77

   3,9(22)

   250(11)

   172(14)/2

   > 5

   0,67

   <13

   срез у

   Сульфонодид сурьмы

   5,2

   1,5(33)

   1000(33)

   5≈10

   0,8(33)

   9

   срез 45╟ относите- льно оси x; вещество при T > 55 ╟С распада- ется

   Пьезокерамика

   Титанат бария (ТБ≈1)

   5,3

   1500

   2≈3

   данные фирмы Кливайт (США)

   Титанат бария кальция ТБК≈3)

   5,4

   1180

   1,3; 4,0

   Группа цирконата ≈ титаната свинца ЦТС≈23

   7, 4

   1100

   0,75≈2,0

   ЦТБС≈3

   7,2

   2300

   1,2≈2,0

   ЦТСНВ≈1

   7,3

   2200

   1,9≈9,5

   PZT≈5H

   7,5

   3400

   2,0≈3,0

   PZT≈8

   7,6

   1000

   0,4≈0,7

   Примечание. Цифры в скобках у монокристаллов определяют индексы соответствующих тензорных характеристик, например: (36)/2 означает d36. Для пьезокерамики верхние значения постоянных имеют индексы (11) или (31), а нижние (33), величины d31 < 0, d33 > 0. Значения tgd для кристаллов даны для поля < 0,05 кв/см; для пьезокерамики tgd даётся в интервале 0,05 кв/см £ E < 2 кв/см. Данные для отечественной пьезокерамики даны на основании ГОСТ 18 927≈68.

   П. м. могут быть разбиты на: монокристаллы, встречающиеся в виде природных минералов или искусственно выращиваемые ( кварц , дигидрофосфаты калия и аммония, сегнетова соль , ниобат лития, силикоселенит и германоселенит и др.), и поликристаллические сегнетоэлектрические твёрдые растворы, подвергнутые после синтеза поляризации в электрическом поле (пьезокерамика). Из П. м. первой группы применяются лишь некоторые кристаллы, например кварц, обладающий большой температурной стабильностью свойств, механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и влагостойкостью. Недостатки ≈ сравнительно слабый пьезоэффект, малые размеры кристаллов, трудность обработки. Используется главным образом в пьезоэлектрических фильтрах и стабилизаторах частоты (см. Кварцевый генератор ); в лабораторной технике применяются кварцевые излучатели и приёмники ультразвука. Дигидрофосфат аммония ≈ искусственно выращиваемый сегнетоэлектрический кристалл, химически стоек, до точки плавления (Тпл = 130 ╟С) обладает сравнительно сильно выраженным пьезоэффектом и малой плотностью, однако недостаточно механически прочен. Кристаллы сегнетовой соли (выращиваемые до больших размеров) имеют высокие значения характеристик, определяющих чувствительность приёмника звука. Малая влагостойкость, низкая механическая прочность, а также сильная зависимость свойств от температуры (из-за низких значений температуры Кюри и Тпл = 55 ╟С) и напряжённости электрического поля ограничивают применение сегнетовой соли. Ниобат лития, силикоселенит и германоселенит наряду с сильно выраженным пьезоэффектом и высокой механической прочностью обладают высокой акустической добротностью и используются в области гиперзвуковых частот (см. Гиперзвук ). Турмалин, гидрофосфат калия, сульфат лития и др. практически не используются. Наиболее распространённым промышленным П. м. является пьезоэлектрическая керамика .

   Лит.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966; Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Ультразвуковые преобразователи, пер. с англ., под ред. Е. Кикучи, М., 1972.

   Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков.