Реферат на тему пьезоэлектрический эффект

Обновлено: 05.07.2024

Пьезоэлектрики, пьезоэлектричество - физика явления, виды, свойства и применение

Пьезоэлектрики — это диэлектрики, обладающие ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Явление пьезоэлектричества было обнаружено и изучено в 1880 - 1881 гг. известными французскими физиками Пьером и Поль-Жаком Кюри.

После этого изучением пьезоэлектрических свойств кварца и некоторых других кристаллов и их практическими приложениями заинтересовался ряд физиков. Среди многих их работ было несколько, весьма важных применений.

Так, например, в 1915 г. С. Баттерворс показал, что кварцевая пластинка как одномерная механическая система, получающая возбуждение вследствие взаимодействия между электрическим полем и электрическими зарядами, может быть представлена как эквивалентная электрическая схема из последовательно включенных емкости, индуктивности и резистора.

Представив кварцевую пластинку как колебательный контур, Баттерворс впервые предложил эквивалентную схему кварцевого резонатора, которая легла в основу всех дальнейших теоретических работ по кварцевым резонаторам.

Пьезоэлектрический эффект бывает прямым и обратным. Для прямого пьезоэффекта характерна электрическая поляризация диэлектрика, наступающая вследствие действия на него внешнего механического напряжения, при этом индуцируемый на поверхности диэлектрика заряд оказывается пропорционален приложенному механическому напряжению:

При обратном пьезоэффекте явление проявляет себя наоборот - диэлектрик изменяет свои размеры под действием приложенного к нему внешнего электрического поля, при этом величина механической деформации (относительная деформация) будет пропорциональна напряженности приложенного к образцу электрического поля:

Коэффициентом пропорциональности и в том и в другом случае выступает пьезомодуль d. Для одного и того же пьезоэлектрика пьезомодули для прямого (dпр) и обратного (dобр) пьезоэффекта равны между собой. Таким образом, пьезоэлектрики — это своеобразные обратимые электромеханические преобразователи.

Продольный и поперечный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект, в зависимости от вида образца, может быть продольным или поперечным. В случае с продольным пьезоэлектрическим эффектом, заряды в ответ на деформацию или деформация в ответ на действие внешним электрическим полем, возникают в том же направлении, что и инициирующее воздействие. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникновение зарядов или направление деформации окажутся перпендикулярны направлению вызывающего их воздействия.

Если на пьезоэлектрик начать действовать переменным электрическим полем, то в нем возникнет той же частоты переменная деформация. Если пьезоэффект продольный, то деформации будут носить характер сжатия и растяжения по направлению приложенного электрического поля, а если поперечный, то станут наблюдаться поперечные волны.

Если частоту приложенного переменного электрического поля сделать равной резонансной частоте пьезоэлектрика, то амплитуда механической деформации будет максимальной. Резонансную частоту образца можно определить по формуле (V - скорость распространения механических волн, h - толщина образца):

Важнейшей характеристикой пьезоэлектрического материала служит коэффициент электромеханической связи, показывающий, соотношение между мощностью механических колебаний Pа и электрической мощностью Pэ, затрачиваемой на их возбуждение посредством действия на образец. Данный коэффициент обычно принимает значение из диапазона от 0,01 до 0,3.

Для пьезоэлектриков характерна кристаллическая структура материала с ковалентной или ионной связью без центра симметрии. Материалы с низкой удельной проводимостью, в которых свободных носителей заряда пренебрежимо мало, отличаются высокими пьезоэлектрическими показателями. К пьезоэлектрикам относятся все сегнетоэлектрики, а также обилие известных материалов, в том числе кристаллическая модификация кварца.

Монокристаллические пьезоэлектрики

Данный класс пьезоэлектриков включает в себя ионные сегнетоэлектрики и кристаллическую модификацию кварца (бета-кварц SiO2).

Монокристалл бета-кварца имеет форму шестигранной призмы с двумя пирамидами по бокам. Выделим здесь несколько кристаллографических направлений. Ось Z проходит через вершины пирамид, и является оптической осью кристалла. Если вырезать пластину из такого кристалла в направлении перпендикулярном данной оси (Z), то пьезоэлектрический эффект получить не удастся.

Оси X проведем через вершины шестигранника, здесь три таких оси X. Если вырезать пластины перпендикулярно осям X, то получим образец с наилучшим пьезоэффектом. Оси X называются поэтому у кварца электрическими осями. А три оси Y, проведенные перпендикулярно боковым граням кристалла кварца — механические оси.

Данный вид кварца относится к слабым пьезоэлектрикам, его коэффициент электромеханической связи находится в пределах от 0,05 до 0,1.

Кристаллический кварц возымел наибольшую применимость в силу способности сохранять пьезоэлектрические свойства при температурах до 573°C. Пьезоэлектрические резонаторы на базе кварца — это есть ни что иное, как плоскопараллельные пластины с прикрепленными к ним электродами. Такие элементы отличаются ярко выраженной собственной резонансной частотой.

Ниобит лития (LiNbO3) — широко применяемый пьезоэлектрический материал, относящийся к ионным сегнетоэлектрикам (наравне с танталатом лития LiTaO3 и германатом висмута Bi12GeO20). Ионные сегнетоэлектрики предварительно отжигают в сильном электрическом поле при температуре ниже точки Кюри, чтобы привести их в однодоменное состояние. Такие материалы обладают более высокими коэффициентами электромеханической связи (до 0,3).

Сульфид кадмия CdS, оксид цинка ZnO, сульфид цинка ZnS, селенид кадмия CdSe, арсенид галлия GaAs и т. д. — примеры соединений полупроводникового типа с ионно-ковалентной связью. Это так называемые пьезополупроводники.

Этилендиаминтартрат C6H14N8O8, турмалин, монокристаллы сегнетовой соли, сульфат лития Li2SO4H2O — на основе этих дипольных сегнетоэлектриков также получают пьезоэлектрики.

Поликристаллические пьезоэлектрики

К поликристаллическим пьезоэлектрикам относится сегнетоэлектрическая керамика. Для придания сегнетокерамике пьезоэлектричексих свойств, такую керамику необходимо в течение часа поляризовать в сильном электрическом поле (напряженностью от 2 до 4 МВ/м) при температуре от 100 до 150°C, чтобы по завершении этого воздействия в ней осталась поляризация, позволяющая в дальнейшем получать пьезоэлектрический эффект. Так получают сильную пьезоэлектрическую керамику с коэффициентами пьезоэлектрической связи от 0,2 до 0,4.

Из пьезокерамики изготавливают пьезоэлементы требуемой формы, чтобы потом получать механические колебания необходимого характера (продольные, поперечные, изгибыне). Главные представители промышленной пьезокерамики изготавливаются на основе титаната бария, кальция, свинца, цирконата-титаната свинца, ниобата бария-свинца.

Полимерные пьезоэлектрики

Пленки полимеров (например поливинилиденфторид) вытягивают на 100-400%, затем поляризуют в электрическом поле, а после - наносят электроды путем металлизации. Так получают пленочные пьезоэлементы с коэффициентом электромеханической связи порядка 0,16.

Применение пьезоэлектриков

Отдельные и соединенные друг с другом пьезоэлементы можно встретить в виде готовых радиотехнических устройств — пьезоэлектрических преобразователей с нанесенными на них электродами.

Такие устройства, изготовленные из кварца, пьезокерамики или ионных пьезоэлектриков, служат для генерации, трансформации и фильтрации электрических сигналов. Плоско-параллельную пластинку вырезают из кристалла кварца, прикрепляют электроды — получают резонатор.

Частота и добротность резонатора зависит от угла к кристаллографическим осям, под которым вырезали пластинку. Обычно в диапазоне радиочастот до 50 МГц добротность таких резонаторов достигает 100000. Кроме того пьезоэлектрические преобразователи находят широкое применение в качестве пьезотрансформаторов с высоким входным сопротивлением, для характерно большого диапазона частот.

По добротности и частоте кварц превосходят ионные пьезоэлектрики, способные действовать на частотах до 1 ГГц. Тончайшие пластинки танталата лития применяются как излучатели и приемники ультразвуковых колебаний частотой от 0,02 до 1 ГГц, в резонаторах, фильтрах, линиях задержки на поверхностных акустических волнах.

Тонкие пленки пьезополупроводников, напыленные на диэлектрические подложки, применяются в встречно-штыревых преобразователях (чередующиеся электроды служат здесь для возбуждения поверхностных акустических волн).

Низкочастотные пьезоэлектрические преобразователи изготавливают на базе дипольных сегнетоэлектриков: миниатюрные микрофоны, динамики, звукосниматели, датчики давления, деформации, вибрации, ускорения, ультразвуковые излучатели.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.

Содержание

ВЕДЕНИЕ 4
1.ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ 5
2.ТЕНЗОР ПОЛЯРИЗАЦИИ 9
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭФФЕКТА 15
3.1. Пьезоэлектрический трансформатор 15
3.2. Пьезоэлектрические форсунки 17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 23

Работа содержит 1 файл

КУРСАЧ.docx

1.ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ 5

2.ТЕНЗОР ПОЛЯРИЗАЦИИ 9

3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭФФЕКТА 15

3.1. Пьезоэлектрический трансформатор 15

3.2. Пьезоэлектрические форсунки 17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 23

В1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрической поляризации у некоторых кристаллических материалов под действием механического напряжения. Возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий. (рисунок 1.1):

Принимая в формуле (1.2) S=1м 2, получаем линейную зависимость поляризации от механического напряжения (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 – Зависимость поляризации от механического напряжения

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки, укрепленные на кристалле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляризуется и деформируется. И в этом случае линейная связь между компонентами тензора деформации U_jk и напряженностью электрического поля Е осуществляется с помощью того же тензора пьезоэлектрических модулей [1]:

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта. Наличие других элементов симметрии (оси, плоскости симметрии) может запрещать появление поляризации в некоторых направлениях или при некоторых определенных деформациях. В результате пьезоэлектрики могут принадлежать лишь к 20 точечным группам симметрии (из 32): 1, 2, 3, 4, 6, m, тт2, 3т, 4mm, 6тт, 222, 4, 422, 42m, 6, 622, 6m2, 32, 23, m3. Кристаллы первых 10 классов — пироэлектрики, т. е. обладают поляризацией в отсутствие внешних воздействий. В этих кристаллах пьезоэффект проявляется, в частности, в изменении величины спонтанной поляризации при механической деформации. Пьезоэлектрические свойства можно создавать в некоторых некристаллических диэлектриках за счёт образования в них так называемой пьезоэлектрической текстуры, например поляризацией в электрическом поле (пьезокерамика).

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов. Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани кристаллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток.

Физическую природу пьезоэффекта лучше всего рассмотреть на примере наиболее известного пьезоэлектрического кристалла - кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации Р₁, Р₂ и Р₃ (рисунок 1.2 а).

Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила Fx, равномерно распределенная по грани, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов Р2 и Р3 на ось Х становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P1. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях. Нетрудно видеть, что деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, так как P_2Y = P_3Y. (рисунок 1.2 б).

Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси X называется продольным пьезоэффектом.При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось X оказывается не равной вектору P₁. Так, при сжатии пьезоэлемента, указанная сумма превышает Р₁; в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрицательные (рисунок 1.2 в).

Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, называется поперечным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называемой оптической осью кристалла, кристалл кварца также остается электрически нейтральным. При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку так, как показано на рисунке, геометрическая сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось X равна вектору P₁, направленному по оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, заряд не возникает. Однако проекции векторов Р₂ и Р₃ на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, возникает заряд (рисунок 1.2 г ) [3].

Содержание:
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрики - монокристаллы
Кварц
Турмалин
Сегнетова соль
Дигидрофосфат аммония
Виннокислый калий
Ниобат лития
Поликристаллические пьезоэлектрики
Пьезоэлектрические текстуры
Пьезоэлектрическая керамика
Особенности технологии изготовления керамических пьезоэлементов
Промышленные пьезокерамические материалы и пьезоэлектрики - полимеры
Материалы на основе титаната бария
Материалы на основе твердых растворов титаната - цирконата свинца
Материалы на основе метаниобата свинца
Пьезоэлектрики - полимеры

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т. е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте - линейная. Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках, главным образом, кристаллических.

До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближённо вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.

В настоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией в кристаллах. Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) d определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое, возникающие в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец, пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьезомодулей.

В общем виде уравнение прямого пьезоэффекта при воздействии однородного механического напряжения Tr записывается так:

Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи r. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющийся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости C (модулями Юнга Ею) или обратными величинами - упругими постоянными S.

При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебания. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругих волн в пьезоэлементе.

В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение.

Кварц. Кварц - широко распростронённый в природе минерал, ниже температуры 573 по Цельсию кристаллизуется в тригонально-трапецоэдрическом классе гексагональной сингонии. Он принадлежит к энантиоморфному классу и встречается в природе в двух модификациях: правой и левой.

По химическому составу кварц представляет собой безводный диоксид кремния (SiO2) молекулярная масса 60,06.

Внешние формы природных кристаллов кварца отличаются большим разнообразием. Наиболее обычной формой является комбинация гексагональной призмы и ромбоэдров (пирамидальные грани). Грани призмы расширяются к основанию кристалла и имеют на поверхности горизонтальную штриховку.

Годный для использования в пьезоэлектрической аппаратуре кварц встречается в природе в виде кристаллов, их обломков и окатанных галек. Цвет от бесцветно-прозрачного (горный хрусталь) до чёрного (морион).

Обычно природные кристаллы кварца содержат в себе различные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов (рутил хлорит), трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы, свили и двойники.

В настоящее время наряду с природными используются синтетические кристаллы кварца, выращиваемые в автоклавах при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.

Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются в технике для стабилизации и фильтрации радиочастот, генерирования ультразвуковых колебаний и для измерения механических величин (пьезометрия).

Турмалин. Турмалин кристаллизуется в тригонально-пирамидальном классе тригональной сингонии. Кристаллы призматические с продольной штриховкой, удлиненные, часто игольчатой формы.

По химическому составу турмалин представляет собой сложный алюмоборосиликат с примесями магния, железа или щелочных металлов (Na, Li, K).

Цвет от чёрного до зелёного, также красный до разового, реже бесцветный. При трении электризуется, обладает сильным пироэлектрическим эффектом.

Турмалин широко распространён в природе, однако в большинстве случаев кристаллы изобилуют трещинами. Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрических резонаторов, встречаются редко.

Основным преимуществом турмалина является большее значение частного коэффициента по сравнению с кварцем. Благодаря этому, а также из-за большей механической прочности турмалина возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты.

В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.

Сегнетова соль. Сегнетова соль кристаллизуется в ромботетраэдрическом классе ромбической сингонии. Принадлежность к энантиоморфному классу определяет теоретическую возможность существования правых и левых кристаллов сегнетовой соли. Однако получаемые из отходов виноделия кристаллы сегнетовой соли бывают только правыми.

Для предохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрывают тонкими пленками лака.

Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.

Дигидрофосфат аммония. Дигидрофосфат аммония кристаллизуется в тетрагональной сингонии. Кристаллы представляют собой комбинацию тетрагональной пирамиды и призмы.

Кристаллы дигидрофосфата не содержат кристаллизованной воды и не обезвоживаются. При 93% относительной влажности воздуха кристаллы начинают поглощать влагу и растворятся.

Дигидрофосфат аммония плавится при температуре 190 градусов Цельсии, однако выше 100 градусов с поверхности кристалла начинает улетучиваться аммиак. Это ограничивает верхний предел рабочих температур.

В настоящее время вследствие широкого развития пьезоэлектрической керамики применение дигидрофосфата аммония ограничено.

Винокислый калий. Виннокислый калий (условное обозначение ВК) кристаллизуется в монокристаллической сингонии.

Содержащаяся в ВК кристаллизационная вода прочно связанна. Опытным путём установлено, что до температуры 80 градусов обезвоживание не наступает. Заметное растворение ВК начинается при 80% влажности.

Резонаторы из ВК имеют высокие добротности и коэффициента электромеханической связи. Они могут заменять кварц в фильтрах дальней связи.

Ниобат лития. Ниобат лития - синтетический кристалл, кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии.

Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия.

Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в том числе и высокой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения. Тонкие (толщиной около одного микрометра) пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры, которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний СВЧ - диапазона.

Пьезоэлектрические текстуры. Текстуры, представляют собой ориентированную определенным образом в пространстве совокупность пьезоэлектрических кристаллов, не имеющую центра симметрии, могут обладать пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэффект в текстурах сегнетовой соли был открыт А. В. Шубниковым; им же были установлены основные закономерности пьезоэффекта в аналогичных средах. Пьезотекстуры сегнетовой соли, получаемые нанесением расплава сегнетовой соли на подложку с помощью кисти, имеют один пьезомодуль d14 сегнетовой соли.

В настоящее время такие текстуры не представляют практического интереса. Наибольшее значение имебт текстуры на основе поляризованной пьезоэлектрической керамики.

Пьезоэлектрическая керамика. Сегнетоэлектрические свойства таких материалов обуславливают возможность пьезоэлектрического эффекта. Под влиянием постоянного электрического поля некоторая часть доменов ориентируется в направлении приложенного поля. После снятия внешнего поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, которое возникает в результате параллельной ориентации направлений поляризации доменов. Благодаря этому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом.

Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значения пьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамических пьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приема ультразвуковых колебаний.

Особенности технологии изготовления керамических пьезоэлементов. Отличительной чертой процесса изготовления пьезокерамических изделий является их поляризация сильным постоянным электрическим полем, которое прикладывается обычно после нанесения электродов на спеченную заготовку, полученную одним из методов керамической технологии.

Материалы с различными свойствами подразделяются на марки (по составу и характеристикам) и на функциональные группы (по назначению).

Материалы функциональной группы 1 применяются для изготовления высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний. Материалы функциональной группы 2 предназначены для пьезоэлементов, эксплуатирующихся в условиях сильных электрических полей или высоких механических напряжений. Материалы функциональной группы 3 применяются для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью резонансных частот в зависимости от температуры и времени, а функциональной группы 4 - для высокотемпературных пьезоэлементов.

Материалы на основе титаната бария. Титанат бария является сегнетоэлектриком. Пьезокерамика титаната бария (ТБ-1) широко применяется для изготовления преобразователей, к которым не предъявляют жесткие требования по температурной и временной стабильности характеристик. Отсутствие в рецептуре титаната бария летучих при обжиге компонентов и простота технолигии изготовления пьезоэлементов делают этот материал по прежнему распространенным в технике.

Материалы на основе тверды растворов титаната - цирконата свинца. Твердые растворы титаната свинцаобладабт очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик. На основе этих твердых растворов были разработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условное наименование ЦТС (за рубежом PZT).

Технология изготовления изделий из материалов типа ЦТС усложнена тем, что они содержат в своем составе оксид свинца, который частично улетучивается при высокотемпературном обжиге, что приводит к плохой воспроизводимости свойств. Поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов проводят в атмосфере паров оксида свинца, для чего заготовки помещают в плотно закрытые капсели, содержащие засыпку из оксидных соединений свинца. Тем не менее, высокие характеристики этого типа материалов делают их весьма распространенными для изготовления пьезоэлектрических преобразователей различного назначения: для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, пьезометрии, а также и некоторых видов радиотехнических фильтров.

Материалы на основе метаниобата свинца. Твердые растворы метаниобатов свинца и бария имеют высокую температуру точки Кюри. Материалы на их основе имебт стабильные в широком температурном интервале значения пьезмодулей и резнансных частот. Технология изготовления изделей из них проще, чем из материалов марки ЦТС, так как входящие в состав ниобатной керамики оксид свинца практически не летуч при обжиге.

Пьезоэлектрики - полимеры. Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект. Среди них практический интерес представляет поливинилиденфторид (ПВДФ). При вытяжке пленок из этого полимера на 300. 400% они ориентируются с образованием особой конформации, которая после поляризации в сильном электрическом поле приобретает пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария, цинковой обманке и других веществах. Пьезоэлектрический эффект в кварце происходит вдоль электрических осей X₁, X₂, X₃ кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный. Этот эффект имеет большое значение для получения ультразвука (см. Пьезоэлектрические излучатели).

Пьезоэлектрики - это такие кристаллы, в которых под влиянием однородной деформации возникают дипольный момент, а значит, и электрическое поле, пропорциональные деформации. Наличие пьезоэлектрических свойств тесно связано с симметрией кристалла.

Пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект существует в целом ряде полупроводников - CdS, Zn0, GaAs, InSb, Те и др. Большинство опытов, в особенности на первом этапе, было проведено на CdS - этот полупроводник является довольно сильным пьезоэлектриком и в то же время фотопроводником (т. е. изменяет свою проводимость при освещении). Поэтому в нем, как уже говорилось, легко можно отделять электронные эффекты.

Если в пьезоэлектрике распространяется звук, т. е. волна деформации, то она сопровождается электрическими полями, обладающими пространственной и временной периодичностью звуковой волны. Эти поля продольные, т. е. параллельные направлению распространения звука. Можно сказать, что в пьезоэлектриках всякая звуковая волна сопровождается волной продольного электрического поля (его будем называть пьезоэлектрическим полем). В качестве оценки напряженности этих полей можно привести следующую цифру: при распространении звука в таком сильном пьезоэлектрике, как CdS, при плотности потока звуковой энергии S порядка 1 Вт/см 2 амплитуда напряженности переменного поля может достигать нескольких сотен вольт на сантиметр.

Выясним теперь, как влияет пьезоэлектрический эффект на распространение звука в пьезодиэлектриках. Пусть продольный или поперечный звук распространяется в пьезодиэлектрике вдоль оси симметрии кристалла, которую назовем осью ОХ. Деформация в такой волне характеризуется величиной du/dx, где и <х)- смещение точки кристалла в звуковой волне. В непьезоэлектрическом кристалле при такой деформации возникает упругое напряжение.

Пьезоэлектрический эффект, применение в науке и технике.

Патент США N3239283. Американские изобретатели Дж.Броз и В.Лаубердорфер разработали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготовляются из пьезоэлектрического материала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, создавая вибрацию, уничтожающую трение.

Установка на реактивных самолетах пьезопреобразователей позволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность полета. Здесь в электроэнергию непосредственно превращаются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.

Фирма "Филипс" успешно разрабатывает идею пьезоэлектрического привода для механизмов малой мощности. В частности, ею создан светофор, батареи которого заряжаются от шума автомобилей на перекрестке.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.

Пьезоэлектрическая струйная печать

Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве таких принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли.
Пионер пьезоэлектрической технологии - фирма Epson - не смогла успешно соревноваться в объеме продаж со своими конкурентами Canon и Hewlett-Packard из-за сравнительно высокой технологической стоимости пьезоэлектрических печатающих головок - они дороже и сложнее, чем пузырьковые печатающие головки.

Зажигалка предназначена для зажигания газа в горелках бытовых газовых приборов.
Источником получения искры является пьезоэлемент.
Нажатием на клавишу усилие сжатия передается на пьезоэлементы, в результате чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри металлической насадки, надетой на удлиненный конец пьезозажигалки.
Искра, которая поджигает газ, образуется как при нажатии на клавишу, так и при отпускании ее.
Современный дизайн может сделать зажигалку “изюминкой” кухонного интерьера.

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвука с частотами до 50 Мгц. Основным элементом пьезоэлектрического излучателя является пластинка из пьезоэлектрика, совершающая вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта вынужденные механические колебания в переменном электрическом поле.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.

Читайте также: