пьезоэлектрические материалы

пьезоэлектри́ческие материа́лы

вещества с ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектрический эффект). Пьезоэлектрическими материалами являются некоторые монокристаллы (кварц, дигидрофосфаты калия и аммония, сульфат лития), а также поликристаллические твердые растворы после поляризации в электрическом поле (пьезокерамика).

* * *

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ МАТЕРИА́ЛЫ, вещества с ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектрический эффект (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ)). Пьезоэлектрическими материалами являются некоторые монокристаллы (кварц (см. КВАРЦ), дигидрофосфаты калия и аммония, сульфат лития), а также поликристаллические твердые растворы после поляризации в электрическом поле.
Каждый пьезоэлектрик является электромеханическим преобразователем. Если его поместить в переменное электрическое поле, то амплитуда механических колебаний будет меняться с частотой переменного поля. При совпадении частоты поля с собственной (резонансной) частотой пьезоэлектрика, амплитуда приобретает максимальное значение. Прямой пьезоэффект используют в технике для преобразования механических напряжений или деформаций в электрические сигналы (звукосниматели, датчики деформаций, приемники ультразвука и др.) Обратный пьезоэффект используется для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука и др.)
Основными техническими характеристиками пьезоэлектрических материалов являются коэффициент электромеханической связи, пропорциональный пьезомодулю и модулю упругости, диэлектрическая, величина, определяющая кпд преобразователя, отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряженности электрического поля в нем; которая определяет чувствительность приемника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах. К пьезоэлектрическим материалам в зависимости от назначения предъявляются специальные требования: высокая механическая и электрическая прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т.д.
В настоящее время известно свыше тысячи соединений, обладающих пьезоэффектом. Однако на практике в качестве пьезоэлектриков используют ограниченное число материалов, которые подразделяют на монокристаллические пьезоэлектрики, пьезокерамику (см. ПЬЕЗОКЕРАМИКА), и полимерные пьезоэлементы.
Среди монокристаллических пьезоэлектриков важное место занимает монокристаллический кварц (см. КВАРЦ), обладающий большой температурной стабильностью свойств, механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и влагостойкостью. Недостатки — сравнительно слабый пьезоэффект, малые размеры кристаллов, трудность обработки. Из линейных пьезоэлектриков, помимо кварца, в различных устройствах применялись кристаллы тартрата калия (K₂C₄H₄O₆^.1/2H₂O), этилендиаминтартрата (C₂H₁₄N₂O₆), сульфата лития (Li₂SO₄^.H₂O), турмалина и дигидрофосфата аммония (NH₄H₂PO₄). Широко используют в различных преобразователях монокристаллы сегнетовой соли, ниобата и танталата лития, которые имеют более высокие, чем кварц, пьезомодули и коэффициенты электромеханической связи.
Дигидрофосфат аммония химически стоек, до точки плавления при 130 °С обладает сравнительно сильно выраженным пьезоэффектом и малой плотностью, однако недостаточно механически прочен. Ниобат лития, силикоселенит и германоселенит наряду с сильно выраженным пьезоэффектом и высокой механической прочностью обладают высокой акустической добротностью и используются в области гиперзвуковых частот
Наиболее распространенным промышленным пьезоэлектрическим материалом является пьезоэлектрическая керамика.
Пьезоэффект наблюдается у некоторых полимерных материалов в виде пленок, текстурированных путем вытяжки и поляризованных в постоянном электрическом поле, например, в пленках поливинилиденфторида (ПВДФ) (-CH₂-CF₂-)n. Такие пленки после вытяжки и поляризации в сильном электрическом поле приобретают пьезоэффект и имеют близкие по своим значениям к пьезокерамике пьезомодули и коэффициент электромеханической связи. Относительно низкая плотность и высокая гибкость пленок делает полимеры перспективным материалом в производстве пьезоэлектрических преобразователей.