4622 Теория 40 (1021509), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

У

Рис.8.1. Кривая поляризации сегнетоэлектрика и петля диэлектрического гистерезиса.

величением напряженности электрического поля можно значительно повысить поляризацию, однако существует пороговое значение напряженности, при которой происходит пробой диэлектрика, т.е. его разрушение. Отношение напряжения, при котором наступает пробой диэлектрика (U_пр), к толщине слоя диэлектрика (h) называется электрической прочностью (Е_пр): Е_пр=U_пр/h.

Различают активные и пассивные диэлектрики. Диэлектрические характеристики первых зависят от внешних энергетических воздействий таких, как электрическое поле, температура, механические воздействия и т.д. Пассивные диэлектрики не изменяют своих свойств и используются в качестве электроизоляторов. К пассивным диэлектрикам относятся большинство полимерных материалов, неорганические стекла, многие виды керамики. К активным диэлектрикам относятся такие материалы, как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, жидкие кристаллы и др.

Сегнетоэлектрики.

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики имеют доменную структуру. Домены представляют собой макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Линейные размеры доменов составляют от 1 мкм до 1 мм. Направление электрических моментов у разных доменов различно, поэтому суммарная поляризованность материала может быть равна нулю.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля. Следствием этого является нелинейная зависимость электрической индукции от напряженности поля (рис.8.1). При изменении направления поля кривая описывает гистерезисную петлю. Точки В и С определяют состояние технического насыщения, Е_с  коэрцитивная сила, D_r  остаточная электрическая индукция. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.

Специфичные свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры, и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Температура такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри (Т_к).

По типу химической связи и физическим свойствам все сегнетоэлектрики подразделяют на 2 вида: ионные и дипольные кристаллы. У первой группы характерным структурным элементом является кислородный октаэдр, благодаря чему эти материалы получили название сегнетоэлектриков кислородно-октаэдрического типа. К ним относятся: титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат калия (KNbO₃), ниобат лития (LiNbO₃), танталат лития (LiTaO₃), йодат калия(KJO₃), барий-натриевый ниобат или сокращенно БАНАН (Ba₂NaNb₅O₁₅) и др.

У дипольных сегнетоэлектриков имеются готовые полярные группы атомов, способные занимать различные положения равновесия. К ним относятся: сегнетова соль (NaKC₄H₄O₆4H₂O), триглицинсульфат ((NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄), дигидрофосфат натрия (KH₂PO₄), нитрат натрия (NaNO₂) и др.

Б

Рис.8.2. Идеальная форма кристалла кварца и его главные оси. а-левый кварц б-правый кварц

ольшинство сегнетоэлектриков первой группы имеют значительно более высокую Т_к и большее значение спонтанной поляризованности, чем сегнетоэлектрики второй группы.

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 d называется 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 кварца d₁₁=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.

омимо кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония, а также ниобат и танталат лития.

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- NaNbO₃ и др.

Электреты.

Электретом называют тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т.е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита. По способу получения различают термоэлектреты (получают при одновременном действии электрического поля и высокой температуры), фотоэлектреты (действием света и электрического поля), электроэлектреты (действием только сильного электрического поля) и др.

На каждой из поверхностей электрета, находящегося под поляризующими электродами (рис.8.3,а), образуются электрические заряды обоих знаков. Заряды, перешедшие из поляризующего электрода на поверхностные ловушки твердого диэлектрика и имеющие тот же знак заряда, что и на электроде, называют гомозарядом. Заряды с противоположным знаком полярности электродов, возникающие в электрете за счет различных релаксационных механизмов поляризации, называют гетерозарядом. Разность гетеро- и гомозарядов определяет результирующий заряд поверхности электрета. Поверхностная плотность зарядов может составлять 10^-6-10^-4 Кл/м². У органических полярных электретов преобладают гетерозаряды, у неорганических (керамических) материалов  гомозаряды. Гомозаряд локализован только в поверхностных слоях электрета, тогда как гетерозаряд распределен по всему объему. Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности воздуха. В настоящее время наибольшее применение находят электреты на основе полимерных пленок (политетрафторэтилен, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат и др.). В условиях повышенной влажности наиболее стабильны электреты из политетрафторэтилена.

Жидкие кристаллы.

Жидкие кристаллы - это вещества переходящие при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между твердокристаллическим состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью, но при этом для них характерно спонтанное проявление анизотропии свойств (оптических, электрических, магнитных и др.) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц (атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллическое состояние называется также мезоморфным (мезофазой). На диаграмме состояния температурный интервал существования ЖК ограничен температурой плавления твердых кристаллов и так называемой температурой просветления, при которой жидкокристаллические мутные образцы становятся прозрачными вследствие плавления мезофазы и превращения ее в изотропную жидкость. Молекулы ЖК обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преимущественно параллельно друг другу.

Ж

Рис.8.4. Структура жидких кристаллов1-смектики, 2-нематики, 3-холистерики

К были открыты Ф.Рейнитцером в 1888 году, но долгое время оставались мало изученными. Интерес к ЖК возник в связи с перспективой их использования. Взаимодействие между молекулами стремится выстроить их в определенный порядок. При высоких температурах тепловое движение препятствует этому, и вещество представляет собой обычную жидкость. При температуре ниже критической в жидкости появляется преимущественное направление, вдоль которого ориентируются длинные или короткие оси молекул. В случае двухосных ЖК упорядочены ориентации как длинных, так и коротких осей молекул.

По способу получения ЖК делятся на термотропные и лиотропные. Термотропные образуются при нагревании твердых кристаллов или охлаждения изотропной жидкости и существуют в определенном температурном интервале. Лиотропные ЖК образуются при растворении твердых органических веществ в соответствующих растворителях, например, в воде. И те и другие имеют обычно несколько модификаций - жидкокристаллических фаз, каждой из которых на фазовой диаграмме соответствует определенная область. Температурный интервал существования ЖК зависит от вещества и может находиться как при низких (до - 60°С), так и при высоких (до 400°С) температурах.

Известно несколько тысяч органических соединений, образующих ЖК. Молекулы типичного термотропного ЖК - 4-метоксибензилиден-4-бутиланилина СН_з-0-С₆Н₄-С=N - С₆Н₄-С₄Н₉ (МББА) по форме похожи на стержни. Наличие 2 или 3 бензольных колец в молекуле типично для ЖК. Если молекулы содержат одно бензольное кольцо, то структурной единицей стержнеобразной формы оказываются двойные связанные молекулы. Вместо бензольных колец в молекулах ЖК встречаются циклогексановые, бициклооктановые, гетероциклические фрагменты. Центральные мостики, связывающие кольца и концевые фрагменты, разнообразны. Известны также полимерные ЖК, в которых жидкокристаллическая структура образуется либо стержнеобразными фрагментами основных цепей молекул (линейные полимеры), либо боковыми цепями, присоединенными к основной цепи гибкими связями (гребнеобразные полимеры).

В зависимости от характера расположения стержнеобразных молекул различают 3 основных типа ЖК: смектические, нематические и холистерические (рис.8.4). В смектиках (S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). Длинные оси молекул могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектического слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом к слою (наклонные смектики). Кроме того, возможно и упорядоченное расположение в слоях. Нематаки (N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при котором длинные оси молекул расположены однонаправлено при беспорядочном расположении центров тяжести молекул.

В холистериках (Chol) молекулы расположены так же, как в нематиках, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью с шагом L.

Своеобразная структура ЖК, обеспечивающая сочетание упорядоченности в расположении молекул с их высокой подвижностью, определяет широкую область их практического использования. Особенно интересны оптические свойства ЖК. В них реализуется оптическая анизотропия, определяющая существование особых направлений - оптических осей. Направление оптической оси легко изменить с помощью небольшого энергетического воздействия, например, электрического поля. Для управления оптическими свойствами ЖК требуются весьма малые напряжения. Существует определенный порог разности потенциалов (около 1 В), выше которого уже нетрудно управлять оптической осью. Это объясняется тем, что все молекулы ЖК взаимосвязаны и ориентированы одинаково, и достаточно повернуть одну из них, чтобы весь коллектив молекул изменил свою ориентацию.

Характеристики

Список файлов лекций