Диссертация (1090962), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Дляэтого необходимо, чтобы после воздействия на среду ее группа симметрии Gm2,описывалась предельной группой Кюри m или любой ее подгруппой:mGm2.(14)Согласно принципу Кюри суперпозиций групп симметрий, группасимметрииGm2, должна быть не ниже, чем пересечение (общая часть) группысимметрии свободной среды Gm1 и группы симметрии воздействия Gin:Gm2(Gm1Gin).(15)С учетом (14) последнее соотношение приобретает вид:mGm1Gin.(16).То есть, для того, чтобы в однородной среде под действием некоторого внешнего воздействия могла возникнуть электрическая поляризация необходимо,чтобы пересечение группы симметрии среды и группы симметрии воздействиябыло бы группой m или одной из ее подгрупп. При пьезоэлектрической поляризации симметрия механического воздействия описывается одной из трех цен-20тросимметричных групп: m – при всестороннем сжатии; /mm – при одноосном растяжении или сжатии; mmm – во всех остальных случаях.Так как группа симметрии воздействия во всех случаях центросимметрична,а группа m нецентросимметрична, то группы симметрии пьезоэлектрическиходнородных сред Gm1 должны быть нецентросимметричными.

Кристалл, обладающий центром симметрии, не может быть пьезоэлектриком потому, что никакой комбинацией однородных механических напряжений нельзя разделить центры тяжести положительных и отрицательных зарядов и вызвать появление дипольного момента, то есть возбудить в кристалле электрическую поляризацию.Из 25 нецентросимметричных групп (21 точечных групп симметрии кристаллов и 4 предельных групп симметрии - , , 2, m) условию (16) не удовлетворяет группа  (mmm=222, но группа 222 не является подгруппойгруппы m), остальные 24 группы удовлетворяют.

Несмотря на то, что в классе432 центра симметрии нет, направления ‹111› полярны и условие (16) выполняется, вследствие внутренней симметрии тензора dijk, все пьезомодули для этогокласса равны нулю и линейный пьезоэлектрический эффект в кристаллах этойгруппы невозможен. Аналогично можно показать, что продольная пьезоэлектрическая поляризация в средах симметрии 2 запрещена принципом Кюри.Таким образом, пьезоэффект возможен в кристаллах, относящихся к 20точечным группам симметрии кристаллов, и в текстурах, описываемых тремяпредельными группами симметрии - , 2 и m.Долгое время считалось, что пьезоэлектрические явления возможны тольков монокристаллах с нецентросимметричными кристаллическими структурами.Как показал А.В. Шубников, такая среда не обязательно должна быть монокристаллической.

Им была теоретически обоснована возможность изготовления немонокристаллических искусственных пьезоэлектрически активных анизотропныхсред – пьезоэлектрических текстур с упорядоченным расположением кристаллитов или особых направлений в них. Такого рода анизотропные текстуры былисозданы в 1944 году практически. Их симметрия описывается предельными21группами Кюри , m или /2. Анизотропные среды осуществляются практически в виде пьезоэлектрических текстур, то есть поликристаллических агрегатов, в зернах которых особые направления имеют предпочтительную ориентацию.

Сегнетоэлектрические керамические текстуры относятся к одним из самыхраспространенных материалов современной пьезотехники.В технике в качестве таких текстур наиболее широко применяются поляризованная пьезокерамика из титаната бария и изоморфных ему сегнетоэлектрических твердых растворов Pb(Zr,Ti)O3, (K,Na)NbO3 и т. п. Достоинством пьезокерамики по сравнению с монокристаллами являются ее технологичность и дешевизна.Изготовление пьезокерамики несравненно проще, чем выращивание монокристаллов.

Кроме того, из керамики можно изготовить изделия сложной формы – линзы,цилиндры и т. п., которые чрезвычайно сложно изготовить из монокристаллов.Пьезоэффект в сегнетокерамике появляется после ее поляризации в сильном электрическом поле, под действием которого домены в разных кристаллитах ориентируются по полю. После снятия поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении за счет возникшего внутреннего поля. Благодаря этому, керамика из изотропного тела превращается в анизотропное. Поляризованная керамика принадлежит к группе симметрии m.

Пьезомодули полярной текстуры - пьезокерамики - характеризуются следующей матрицей:000 0dj= 000d15 0d24 0 0(17)d31 d32 d33 0 0 0где d33 - продольный пьезомодуль, d24=d15 -сдвиговый пьезомодуль и d32=d31поперечный пьезомодуль.1.3. Сегнетоэлектрическая керамикаОсновными компонентами сегнетоэлектрической (FE) керамики являютсясегнетоэлектрические фазы. Свойствами, определяющими фазу как сегнетоэлектрическую, являются: 1) наличие спонтанной электрической Ps поляризации Ps; 2)22Рис.

1.1. Типичная сегнетоэлектрическая петля гистерезиса.Рис. 1.2. Схематичное изображение доменной структуры в (а) неполяризованной (б) поляризованной сегнетоэлектрической керамики с 180° и 90°доменными стенками. После поляризации общая сумма локальных поляризаций P становится ненулевой.обратимость направления этой спонтанной поляризации под действием внешнегодостаточно сильного электрического поля. Этот процесс, называемый переполяризацией, проявляется в виде нелинейной зависимости поляризации от поля P(T) –так называемых петель диэлектрического гистерезиса (рис. 1.1).Благодаря наличию сегнетоэлектрических свойств сегнетокерамика обладаетцелым рядом свойств, делающих ее полезной для множества применений [2, 4 - 24].К таким свойства относятся: 1) высокая диэлектрическая константа; 2) выраженнаязависимость величины диэлектрической постоянной от электрического поля; 3) относительно низкие диэлектрические потери; 4) высокое электрическое удельноесопротивление; 5) высокие пьезоэлектрические константы; 6) довольно высокиепироэлектрические коэффициенты; 7) наличие петель диэлектрического гистерезиса, 8) высокая электромеханическая связь; 9) нечувствительность к влажности; 10)стойкость к радиации; 11) достаточно высокая твердость; 11) высокие оптическаяпрозрачность и электрооптические коэффициенты в некоторых специальных видахкерамики.

Поэтому сегнетоэлектрическая керамика широко применяется во многихобластях современной техники: электронике, радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике, измерительной технике и др. Важным преимуществом керами-23ки по сравнению с монокристаллами является экономичность ее производства, воз-Рис. 1.3.

Продольный пьезомодуль d33 различных сегнетоматериалов [22].можность изготовления из нее изделий сложной формы.В каждом кристаллитесегнетокерамики имеется два или более эквивалентных возможных направлений Ps по отношению к кристаллографическимосям кристаллита; ориентация же самих кристаллитов хаотическая. В общемслучае реализующиеся направления Ps в керамике статистически равномернораспределены по указанным допустимым симметрией направлениям.

Поэтомузерна сегнетоэлектрической керамики, также как и сегнетоэлектрические монокристаллы, разбиваются на сегнетоэлектрические домены, представляющие собой макроскопические области, в которых направление Ps одинаково и отличается от направлений спонтанной поляризации в соседних доменах (рис. 1.2).В монокристалле относительная ориентация электрических моментов доменов определяется симметрией кристаллической решетки. Например, в тетраго-24Рис. 1.4. Пьезомодули d33 (a) и КЭМС k33 (б) релаксорных –PT кристаллови пьезокерамики как функция температуры Кюри [23].Рис. 1.5. Зависимость максимальной величины произведения d·g (при 290 К)от температуры деполяризации для керамики на основе KNN ((K,Na)NbO3),BCZT ((Ba,Ca)(Zr,Ti)O3), BNT ((Bi0.5Na0.5)TiO3) и PZT [24].нальной модификации титаната бария BaTiO3 возможны шесть направленийспонтанной поляризации: антипараллельных или перпендикулярных друг другу.Соответственно для этого случая различают 180-градусные и 90-градусные доменные границы (рис.

1.2). Энергетически наиболее выгодной является такаяструктура, при которой обеспечивается электрическая нейтральность доменныхграниц, т. е. проекция вектора поляризации на границу со стороны одного доменадолжна быть равна по длине и противоположна по направлению проекции вектора поляризации со стороны соседнего домена.

По этой причине электрическиемоменты доменов ориентируются по принципу «голова» к «хвосту». Установлено,25что линейные размеры доменов составляют 10-4- 10-1 см.В поликристаллическом сегнетоэлектрике в каждом кристаллите можетсуществовать несколько доменов. Различным направлениям поляризации соответствуют не только слегка отличающиеся положения некоторых ионов в элементарной ячейке, но часто также и различные изменения формы самой ячейки.Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч).

Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ,которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризации внаправлении внешнего электрического поля.Следствием доменного строения сегнетоэлектриковявляется нелинейнаязависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля, показанная на рис. 1.1. При воздействии слабого электрического поля связьмежду D и Е носит приблизительно линейный характер (участок ОА). На этомучастке преобладают процессы обратимого смещения (флуктуации) доменныхграниц. В области более сильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер. При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, при которой Ps образует наименьший угол с направлением поля.

Характеристики

Список файлов диссертации