Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 31
Текст из файла (страница 31)
При обратном пьезоэффектепроисходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенногоэлектрического поля. Хотя в настоящее время известно более тысячи веществ,обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в пьезотехнике применяетсяограниченное количество материалов.
Важное место среди них занимаетмонокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной для получениявысоких характеристик кристаллографической ориентацией. Кварцевые резонаторы,представляющие собой полированные кварцевые пластинки с электродами идержателем, имеют очень малый tgδ и высокую механическую добротность (т.е. малыемеханические потери). Механическая добротность (величина, обратная tgδ) в кварцевыхрезонаторах может достигать 106 - 107.
Кроме кварца в различных121пьезопреобразователях используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли,ниобатаитанталаталития.Широкоприменяетсядляизготовленияпьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая в основном изтвердых растворов цирконататитаната свинца РbZrО3 - РbTiО3 (ЦТС). Преимуществопьезокерамики перед монокристаллами - возможность изготовления активныхэлементов сложной формы и любого размера.
Пьезокерамика применяется дляизготовления малогабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиковдавлений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных фильтров, линийзадержки, пьезотрансформаторов и др.Сравнительно новой областью применения пьезоэлектриков являютсяпьезоэлектрические двигатели. В таких двигателях отсутствуют какие-либо обмотки имагнитные поля, поэтому они находят применение в радиотехнических устройствах,лентопротяжных и других приводах магнитофонов, в робототехнике. В пьезодвигателяхосновным элементом являются поляризованные керамические пластинки, колебаниякоторых преобразуются во вращательное движение ротора.
В настоящее времяуровень разработки пьезокерамических, сверхтвердых и износостойких материаловограничивает применение пьезодвигателей мощностью до 10 Вт, однако иххарактеристики указывают на перспективность применения в современных электронныхустройствах, системах автоматизации и в бытовой технике.В конце 60-х - начале 70-х годов были открыты высокоэффективные полимерныепьезоэлектрикинаоснове,вчастности,поливинилиденфторида(ПВДФ),конкурентноспособные с пьезокерамикой. Пьезопленка из ПВДФ и композитов на ееоснове находит применение в бесконтактных переключателях в клавиатурекалькуляторов, ЭВМ, телефонных номеронабирателях, электрических печатающихмашинках. Широко применяются также композиционные полимерные пьезоэлектрики,получаемые смешением полимеров с пьезоактивным наполнителем, обычнопьезокерамикой.Стабильность пьезосвойств ПВДФ и керамики ЦТС сравнима.
Основныепараметры композитов с ЦТС снижаются на 1% в год в течение 10 лет, у ПВДФ - на 4%за 10 лет.Пьезоэлектрические свойства проявляются у поляризованных керамическихсегнетоэлектриков. После поляризации в постоянном электрическом полесегнетоэлектрик ведет себя как монокристалл. Первый пьезопреобразователь наоснове титаната бария появился в 1947 г.
До сих пор пьезокерамика остаетсянезаменимой для ряда преобразователей звукового и ультразвукового диапазонов.Разработка технологии сегнетокерамики и изучение ее свойств относится кспециальным разделам материаловедения.Первоесообщениеобиспользованиипленочныхпреобразователейультразвукового диапазона появилось в 1965 г. Благодаря применениюпьезоэлектрических пленок при изготовлении линии задержки на объемных волнах,рабочую частоту удалось повысить до 18 ГГц.
Другим этапом пленочных устройствстали высокоэффективные акустооптические приборы на объемных акустическихволнах (ОАВ), а с 1970 г. стали выпускаться преобразователи на поверхностныхакустических волнах (ПАВ) на пьезоэлектрических подложках. Промышленноеприменение находят пленки ZnS, CdS, ZnSe, CdSe. На основе AlN создают приборыгигагерцевого диапазона с высокой скоростьюПредставляют интерес для изучения и пьезоэлектрические свойства пленок снизкой скоростью звука типа Bi12GeO28, Bi12SiO20.
Заметной пьезоактивностью обладаютпленки LiNbO3, Li1-xNaxNbO3, BeO, LaN, GaAs, LiIO3 и др. Для массового выпуска122телевизионных фильтров применяются монокристаллы ниобата лития, керамика PZT итонкие пленки оксида цинка.Промышленность многих стран, включая нашу, в настоящее время выпускаетпромышленныеполимерныепьезоматериалывосновномнаосновеполивинилиденфторида, в виде металлизированных пленок толщиной от5 мкмдо 1..2 мм.
На основе поливинилиденфторида разработаны высокоэффективныепьезоэлектрики конкурентноспособные с пьезокерамикой. Поливинилиденфторид исдругимимономерамиобладаютсополимерывинилиденфторидасегнетоэлектрическими свойствами – способностьюкпереполяризации,гистерезисными зависимостями поляризации от напряженности поля и температуройКюри.Из высокоэффективных пьезоэлектрических стеклообразных полимеров можноназвать сополимер винилиденцианида с винилиденацетатом. Области примененияпромышленных пьезопленок следующие:• машиностроение и приборостроение;• акустика; оптические приборы;• электронные компоненты;• робототехника;• приборы обеспечения охраны и безопасности;• медицинское оборудование;• военная техника; транспорт, спортивные товары и товары для отдыха.С вопросами современных теоретических представлений о пьезоэлектричестве вполяризованных полимерах, технологией получения пьезоэлектриков на основеполимеров, в том числе композиционных, их свойствами и областями примененияможно познакомиться по работам Г.А.
Лущейкина.Вопросы изучения композитных материалов как для целей пьезотехники, так и длядругих направлений использования, например фотохромных композитов, винформатике и т. п. весьма актуальны. В настоящее время разработаны ииспользуются композиты на основе пьезоэлектрических полимеров и пьезокерамики свысокими пьезоэлектрическими и пироэлектрическими характеристиками.ПараэлектрикиНаиболее известными представителями параэлектриков (криопараэлектриков)является титанат стронция, танталаты калия и другие элементы.
Структуру SrTiO3 впараэлектрической фазе можно представить как плотную гранецентрированнуюкубическую упаковку ионов Sr2+ и O2–. Свобода смещений иона стронция должнаприводить к возникновению поляризации и появлению параэлектрических свойств.Материалы типа титаната стронция относятся к виртуальным сегнетоэлектрикам, укоторых при Тк<θD (θD–температура Дебая, при которой энергия тепловых колебанийрешетки в твердом теле станет равной энергии самых коротких упругих волн, и всеатомы веществ перейдут в возбужденное состояние) нарушается закон Кюри–Вейсса.Температурнаязависимостьобратнойвосприимчивостивиртуальногосегнетоэлектрика, соответствующая заметному квантовому вкладу в амплитудуколебаний кристаллической решетки показана на рисунке123Рис.
5.9. Зависимость обратной восприимчивости оттемпературы для виртуального сегнетоэлектрикаЗависимость диэлектрической проницаемости параэлектрика от напряженностивнешнего электрического поля возникает при охлаждении материала до определенногоинтервала температур, в котором электрическая поляризация не пропорциональнаэлектрическому полю даже в слабых полях. Эта нелинейность связана с насыщениемполяризации кристалла из-за его высокой поляризуемости под воздействиемуправляющего поля при температурах близких к Тк.
Если при росте поля Е достигаетсянасыщение поляризации, то величина ε должнауменьшаться с увеличениемнапряженности поля Е. Так каквыше точки Кюри в параэлектриках доменыотсутствуют, то диэлектрические потери в параэлектриках сравнительно невелики,поэтому в качестве нелинейных диэлектриков их можно использовать вплоть до частот108÷1011Гц .Для практического применения параэлектриков на СВЧ желательно, чтобытемпературная зависимость ε(T) была наименьшей, а нелинейность по полюнаибольшей и проявлялась при небольшойРис.
5.10. Xарактерные зависимости дляпараэлектрикова, б – зависимости диэлектрической проницаемости оттемпературы и напряженности поля; в – зависимостьтемпературного коэффициента диэлектрической124проницаемости от температуры; г – изменениенелинейности N (по определению N=1/ε·dε/dE) отнапряженности поля (по Резу И.С. и Поплавко Ю.М.).Такие свойства трудно совместить в одном кристалле. Тем не менее, имеющиесямонокристаллы и поликристаллические пленки позволяют обеспечивать достаточнохорошие характеристики активных параэлектрических элементов в СВЧ диапазоне.Так как диэлектрическая дисперсия в параэлектриках структуры перовскитаначинается на частотах около 1011 Гц, нелинейность не должна зависеть от частоты вСВЧ диапазоне при изменении поля в широких пределах. При расчетах активныхэлементов на основе параэлектриков можно использовать экспериментальныехарактеристики ε(E) материала, учитывая лишь их зависимость от температуры.
Важноотметить, что в сегнетоэлектриках при Т > TC тангенс угла диэлектрических потерьрастет с ростом напряженности электрического СВЧ поля:tgδ=tgδ0+AE~2.Для керамики на основе титаната стронция коэффициент A ≅ 10–14 м2/в2. Можнопоказать, что при достаточно большой напряженности СВЧ поля упругие параметрысреды оказываются промодулированными с частотойСВЧ поля. Рост tgδ сувеличением Е~ – это механизм потерь, присущий самой природе сегнетоэлектрика.Однако критическое поле, при котором начинается рост потерь на высоком уровне СВЧполя, может быть повышено за счет использования пленочных образцовсегнетоэлектрика и управления спектром акустических колебаний.Для применения в качестве параметрических усилителей, например, модуляторовсигналов СВЧ, фазовращателей перспективны СВЧ вариконды, обладающие малойинерционностью управления, высокой радиационной стойкостью и устойчивостью кперегрузкам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
