Пьезоэлектрические материалы
Пьезоэлектрические материалы, 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, 103 м/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.