Искусственные пьезокерамические материалы

Работами А. В, Шубникова и его сотрудников показано, что пьезоэффектом могут обладать не только монокристаллы, но и поликристаллические вещества, если группы кристаллов в таком веществе ориентированы определенным образом. Такие вещества получили название текстур. Их преимущество перед монокристаллическими пьезоэлементами состоит в том, что размеры текстурных элементов и их форма могут выбираться независимо от размеров кристалликов, составляющих исходный пьезокристаллический продукт. Не требуется растить или добывать на горных разработках большие дорогостоящие монокристаллы.

Первоначально получили распространение текстуры из сегнетовой соли. В этих структурах ориентация мелких кристалликов достигалась намазыванием расплавленной сегнетовой соли кистью одном строго определенном направлении. Продолговатые кристаллики соли при отвердевании расплава располагались по направлению движения волосков кисти.

Скачок в промышленном применении поликристаллических пьезоэлементов был достигнут после того, как были изучены диэлектрические и пьезоэлектрические свойства титана бария (Вул, Андреев, Ржанов, Смоленский) и сходных с ним материалов, а также разработана технология получения путем спекания из таких мелкоизмолотых материалов керамикоподобных изделий.

Титанат бария в интервале температур имеет тетрагональную структуру кристаллической решетки. Когда пластинка из этого материала после обжига в печи остынет, она не показывает никакого пьезоэффекта. Это происходит вследствие того, что кристаллы титаната бария состоят из целого ряда отдельных областей — доменов, в каждой из которых электрическая ось ячеек кристаллической решетки ориентирована «по-своему». Это оказывается возможным потому, что в ячейке кристалла может существовать шесть положений атома титана между атомами бария и кислорода, расположенными на гранях ячеек, при которых потенциальная энергия ячейки минимальна. При этом атом титана оказывается сдвинутым к одной из граней ячейки. В каждый домен входит большое число ячеек с одинаковой ориентацией и каждый такой домен сам по себе представляет собой электрический диполь. Однако в кристалле домены ориентированы беспорядочно, так что внешнее поле кристалла отсутствует.

Самое важное для пас свойство кристалла титапата бария состоит в том, что при помещении его в сильное электрическое поле домены начинают ориентироваться относительно поля, их электрические оси стремятся расположиться по направлению силовых линий внешнего поля. При температуре около 85°С в поле напряженностью 24—26 кв/см до 80% всех доменов ориентируются так, что их электрические оси повернуты не более чем на 45° от направления линий поля. Более того, после снятия поля домены стремятся сохранить согласное направление электрических осей. Благодаря этому пьезоэффект, который без поляризации можно было бы наблюдать лишь в однородном монокристалле или в отдельном домене, теперь проявляется в целом куске поляризованного поликристаллического материала. Керамиковый материал из титаната бария обладает большой упругостью и значительной прочностью аналогично фарфору.

Характерной особенностью пьезокерамики является ее очень большая диэлектрическая постоянная. Если электроды, с помощью которых поляризуют пластинку титаната бария, недостаточно плотно прилегают к ней, так что между ней и электродом остается очень тонкий слой воздуха, падение потенциала в основном произойдет в этом тонком слое, а напряженность поля в пластинке будет малой. Точно так же и уже поляризованная пластинка с такими электродами будет весьма неэффективна как преобразователь.

Для получения эффективных пьезокерамических элементов после обжига их шлифуют и носят серебряные электроды вжиганием в печи при высокой температуре, обеспечивая прочный и плотный контакт молекул металлического электрода и молекул поверхности керамики. Было проведено большое число поисков с целью создания пьезокерамик с более высокими параметрами, более широким диапазоном рабочих температур. У чистого титаната бария диапазон ограничен точками фазовых переходов —10°С и +120°С, за пределами которых его кристаллическая структура меняется и он

теряет пьезоэлектрические свойства. Были найдены твердые растворы, образуемые титанатом бария с титапатом кальция и титанатом которые обладают более широким диапазоном рабочих температур и параметры которых меньше зависят от температуры. Далее были получены растворы титаната бария и кальция с добавкой кобальта, пьезокерамики ниобата бария и свинца, твердые растворы цироконата свинца и титаната свинца, в том числе с добавками тантала, неодима, стронция, лантана. Все эти поиски, приведшие к современным пьезокерамическим материалам, имели целью повысить верхний предел рабочих температур (что очень важно для пьезоэлементов, работающих в преобразователях-двигателях, так как они испытывают большие электрические и механические нагрузки и могут сильно нагреваться при работе), уменьшить зависимость параметров от температуры для получения преобразователей со стабильной чувствительностью, уменьшить декремент механических колебаний и тангенс угла электрических потерь в керамике, увеличить кпд преобразователей-двигателей.

Приведем данные некоторых пьезокерамик.

Титанат бария

Титанат бария—кальция

Титанат бария—свинца

Ниобат свинца—бария

(см. скан)