ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
кристаллич.
вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрич. свойствами (см. Пьезоэлектричество),
применяемые
для изготовления электромеханич. преобразователей: пьезоэлектрич. резонаторов,
пьезоэлектрических
датчиков, излучателей и приёмников звука и др. Осн. характеристиками
П. м. являются: 1) коэфф. электромеханической связи
k =d корень квадратный из4ПиЕ/е, где
d
- пьезомодуль, Е -модуль упругости, е - диэлектрическая проницаемость
(в
анизотропных П. м. все эти и нижеследующие величины - тензорные); 2) величина
k2/tg5, определяющая кпд преобразователя (6 - угол
диэлектрических
потерь); 3) отношение механич. мощности пьезоэлемента на резонансной
частоте к квадрату напряжённости электрич. поля в нём; определяется величиной
(dE)2; 4) dE корень квадратный изЕс
корень
квадратный из с
приёмника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах
(с
нек-рых наиболее распространённых П. м. К П. м. в зависимости от назначения
предъявляются спец. требования: высокая механич. и электрич. прочности,
слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость
и т. д.
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 поликристаллич. сегнетоэлектрич. твёрдые растворы, подвергнутые
после синтеза поляризации в электрич. поле (пьезокерамика). Из П. м. первой
группы применяются лишь нек-рые кристаллы, напр. кварц, обладающий большой
температурной стабильностью свойств, механич. прочностью, малыми диэлектрич.
потерями и влагостойкостью. Недостатки - сравнительно слабый пьезоэффект,
малые размеры кристаллов, трудность обработки. Используется гл. обр. в
пьезоэлектрич. фильтрах и стабилизаторах частоты (см. Кварцевый генератор);
в
лабораторной технике применяются кварцевые излучатели и приёмники ультразвука.
Дигидрофосфат аммония - искусственно выращиваемый сегнетоэлектрич. кристалл,
химически стоек, до точки плавления (Гпл = 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 механич. прочность, а также
сильная зависимость свойств от темп-ры (из-за низких значений темп-ры Кюри
и Гпл = 55 ° С) и напряжённости электрич. поля ограничивают применение
сегнетовой соли. Ниобат лития, силикоселенит и германоселенит наряду с
сильно выраженным пьезоэффектом и высокой механич. прочностью обладают
высокой акустич. добротностью и используются в области гиперзвуковых частот
(см. Гиперзвук). Турмалин, гидрофосфат калия, сульфат лития и др.
практически не используются. Наиболее распространённым пром. П. м. является
пьезоэлектрическая
керамика.
Основные характеристики наиболее распространённых
пьезоэлектрических материалов при температуре 16-20оС
|
|
Плотность, р<.103
кг/м3 |
Скорость звука,
с м/сек |
Диэлектрическая
проницаемость , е |
Пьезомодуль,
d, 1012 к/н |
Тангенс угла диэлектрических
потерь, tg о <.102 |
Коэффициент электромеханической
связи k |
k2/tgо
|
Примечание
|
|
|
Кварц
|
2,6
|
5,47(11)
|
4,5(11)
|
2,31(11)
|
<0,5
|
0,095
|
>0,4
|
срез х
|
|
|
Дигидрофосфат
аммония (АДР) |
1,8
|
5,27(33)
|
21,8
|
24,0(36)/2
|
<1
|
0,3
|
>8
|
срез 45° относительно
оси z срез у |
|
|
Сульфат лития
|
2,05
|
4,7(33)
|
10,3(22)
|
18,3(22)
|
<1
|
0,37
|
>10
|
||
|
Сегнетова соль
|
1,77
|
3,9(22)
|
250(11)
|
172(14)/2
|
>5
|
0,67
|
<13
|
срез 45° относительно
оси X', вещество при Т>55 оС распадается |
|
|
Сульфоиодид сурьмы
|
5,2
|
1,5(33)
|
1000(33)
|
22(31)
|
5-10
|
0,8(33)
|
9
|
||
|
150(33)
|
|||||||||
|
Пьезокерамика
|
Титанат бария
(ТБ - 1) |
5,3
|
4,45
|
1500
|
45
|
2-3
|
0,16
|
1,5
|
|
|
|
4,2
|
100
|
0,35
|
5,2
|
|
||||
|
Титанат бария
кальция (ТБК-3) |
5,4
|
4,7
|
1180
|
51
|
1,3; 4,0
|
0,17
|
2,2
|
|
|
|
|
4,7
|
113
|
0,37
|
10,5
|
|
||||
|
Группа цирконата
- титаната свинца ЦТС-23 |
7, 4
|
3,2
|
1100
|
75
|
0,75-2,0
|
0,2
|
1
|
|
|
|
3,0
|
150
|
0,41
|
4,2
|
|
|||||
|
ЦТБС-3
|
7,2
|
3,5
|
2300
|
160
|
1,2-2,0
|
0,32
|
5
|
|
|
|
3,2
|
316
|
0,65
|
20
|
|
|||||
|
ЦТСНВ 1
|
7,3
|
2,9
|
2200
|
200
|
1,9-9,5
|
0,34
|
1,24
|
|
|
|
2,6
|
430
|
0,72
|
2,5
|
|
|||||
|
PZT-5H
|
7,5
|
2,8
|
3400
|
274
|
2,0-3,0
|
0,39
|
1,7
|
данные фирмы Кливайт
(США) |
|
|
2,5
|
590
|
0,75
|
6,8
|
||||||
|
PZT-8
|
7,6
|
3,4
|
1000
|
93
|
0,4-0,7
|
0,29
|
12,5
|
||
|
3,1
|
217
|
0,62
|
50,0
|
||||||
Примечание. Цифры в скобках у монокристаллов
определяют индексы соответствующих тензорных характеристик, напр.: (36)/2
означает 1/2d
кв/см: для пьезокерамики tg 6 даётся в интервале 0,05 кв/см=<E< <2
кв/см. Данные для отечественной пьезокерамики даны на основании ГОСТ 18
927 - 68.
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.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я