Навигация по сайту

http://www.elbros.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=53

     

     В последние десятилетия 19 века было сделано несколько открытий, которые по меркам того времени являлись курьезом, но в наши дни считаются поворотным пунктом в эволюции современной технологии.

     В1880 году Джеке и Пьер Кюри открыли необычное явление, присущее некоторым кристаллическим минералам: когда к кристаллам прикладывалась механическая сила, они становились электрически поляризованными. Причем, сжатие и растяжение кристалла генерировали заряды противоположной полярности, а величина поляризации была пропорциональна величине механического воздействия. Вскоре после этого последовало другое открытие Пьера Кюри, который установил, что при помещении этих кристаллов в электрическом поле они проявляют эластичность, т.е. удлиняются или укорачиваются, причем пропорционально, в зависимости от изменения величины электрического поля. Таким образом были открыты явления прямого и обратного (инверсионного) пьезоэлектрического эффекта. Греческое слово "пьезо" означает сжимать, сдавливать. Не смотря на то, что данные материалы редко содержат железо, они называются ферроэлектриками, так как их электрическое поведение аналогично магнитному поведению ферромагнитных материалов.

     Хотя качество пьезоэлектрических материалов всегда следует жестким рамкам требований потребителей, величина пьезоэлектрического напряжения, перемещений или сил мала и часто требует усиления (например: пьезокерамический диск может увеличиваться или уменьшаться по высоте только на доли миллиметра). Пьезоэлектрический эффект часто используется для построения датчиков, таких как датчики силы или перемещения. Обратный пьезоэффект используется для осуществления перемещения - в пьезоприводах, моторах, устройствах позиционирования, а также для генерирования звуковых и ультразвуковых сигналов.

     В течение многих лет такие природные кристаллы как кварц и турмалин были единственными представителями пьезоэлектрических материалов, и на их базе были созданы многие устройства. В последние десятилетия, и особенно начиная с середины 60-х годов 20 века, стали разрабатываться искусственные пьезокерамические материалы, основанные на оксидах металлов, которые постепенно стали не только вытеснять природные кристаллы, но и предоставлять возможность конструкторам использовать прямой и обратный пьезоэлектрический эффект в новых отраслях науки и техники. Пьезоэлектрическая керамика обладает "перовскайт" кристаллической структурой, каждая частица которой состоит из "малого" иона четырехвалентного металла (обычно титана или циркония) в кристаллической решетке, "большого" иона двухвалентного металла (обычно свинца или бария), а также ионов кислорода О₂ (Рис. 1.1.а). При определенных условиях кристаллы приобретают тетрагональную или ромбогедральную симметрию, в результате чего кристалл получает дипольный момент (Рис. 1.1.6).

     Первоначально было обнаружено, что материалы на основе титаната бария (ВаTiO₃) обладают пьезоэффектом. Дальнейшие разработки показали, что материалы группы цирконата-титаната-свинца - ЦТС ("PZT") обладают большей чувствительностью и более высокими рабочими температурами. Это в значительной степени предопределило вытеснение материалов титаната бария материалами ЦТС во многих сферах применения пьезокерамики.

     Первоначально было обнаружено, что материалы на основе титаната бария (ВаTiO₃) обладают пьезоэффектом. Дальнейшие разработки показали, что материалы группы цирконата-титаната-свинца - ЦТС ("PZT") обладают большей чувствительностью и более высокими рабочими температурами. Это в значительной степени предопределило вытеснение материалов титаната бария материалами ЦТС во многих сферах применения пьезокерамики.

     Существуют и другие типы пьезокерамики, которые используются в специфических целях. Например: титанат свинца благодаря своим характеристикам хорошо подходит для изготовления гидрофонов, медицинской диагностической аппаратуры и датчиков детонации двигателей. Но из-за сложностей поляризации он не нашел более широкого применения.

     Метаниобат свинца применяется в диагностическом оборудовании неразрушающего контроля, медицинской диагностической аппаратуре и в гидрофонах. Но потребители должны выбирать между высокой пористостью материала и его низкими механическими свойствами.

     Пьезоэлектрическая керамика может быть в сотни раз более чувствительной к электрическому или механическому воздействию, чем природные кристаллы, а их составы, форма и размеры отвечать практически любым специфическим требованиям заказчиков. Пьезокерамика физически прочна, химически инертна, не подвержена воздействию влажности и других атмосферных явлений, в производстве относительно дешева.

     Для приготовления пьезокерамики мелкую пудру металлических оксидов, входящих в состав компонентов, смешивают в определенной пропорции, после чего нагревают (обжигают) с целью получения однородного порошка. Порошок смешивают с органическими вяжущими катализаторами, после чего прессуют, каландрируют (прокатывают) или формуют с целью получения структурного элемента заданной формы (диск, стержень, пластина и т.п.). Так называемые "зеленые" керамические заготовки подвергаются обжигу в заданных температурных и временных режимах, в результате чего частицы порошка спекаются и материал приобретает плотную кристаллическую структуру. После этого заготовки остужаются, подвергаются, если необходимо, очистке и обработке, после чего на определенные поверхности наносятся электроды. Спеченные заготовки представляют собой практически готовую массу мелких кристаллитов (керамических гранул). Обычная пьезокерамика содержит в одном кубическом сантиметре от 109 до 1012 гранул. При температуре выше критической, так называемой точки Кюри, каждый перовскайт кристалл имеет простую кубическую симметрию, не обладающую дипольным моментом (Рис. 1.1 .а). При температурах ниже точки Кюри каждый кристалл приобретает (в зависимости от композиции материала) тетрагональную или ромбогедральную симметрию с дипольным моментом (Рис. 1.1.6). Дипольные моменты ориентированы различно относительно разных керамических гранул, и даже относительно разных областей в отдельной грануле. Области одинаково ориентированных дипольных моментов называются доменами, а каждый домен содержит сеть дипольных моментов. Однако распределение доменов в пьезокерамическом материале носит случайный характер, поэтому керамический элемент не имеет общей поляризации (Рис. 1.2.а).

     Поляризация керамического элемента происходит путем помещения его на определенное время в сильное электрическое поле постоянного тока, обычно, но не всегда, при температуре чуть ниже точки Кюри (Рис. 1.2.6). Благодаря этому процессу поляризации большинство доменов принимают ориентацию, практически совпадающую с направлением вектора электрического поля, а керамика удлиняется параллельно оси поляризации. После отключения электрического поля большинство диполей остается ориентированными в направлении, близком к вектору поля поляризации (Рис. 1.2.в).

     Это придает материалу постоянную поляризацию, называемую остаточной поляризацией. А постоянная деформация (удлинение), которая делает материал анизотропным, придает ему отличающиеся свойства в зависимости от направления их измерения.По аналогии с ферромагнитными материалами поляризованные ферроэлектрические материалы также обладают гистерезисом, а диэлектрические постоянные таких материалов очень высоки и зависимы от температуры.

     При увеличении электрического поля, приложенного к пьезокерамическому элементу, до максимального значения поляризация материала достигает точки насыщения Ps . При снижении поля до нуля поляризация достигает уровня остаточной поляризации Pr. При изменении направленности поля поляризация достигает отрицательного насыщения, затем отрицательного остаточного значения поляризации при значении поля равного нулю, далее при изменении направленности поля и его увеличении - поляризация снова достигает величины своего положительного насыщения.

     Петля гистерезиса, показанная на рисунке 1.3, отражает относительное изменение размеров пьезокерамического элемента вдоль направления поляризации в зависимости от изменения электрического поля. Относительному увеличению или уменьшению размеров параллельно направлению электрического поля сопутствует соответствующее, но приблизительно на 50% меньшее, относительное увеличение или уменьшение размеров в плоскости, перпендикулярной направлению электрического поля.

     Механическое сжатие или растяжение, оказываемое на поляризованный пьезоэлектрический керамический элемент, вызывает изменение дипольного момента, в свою очередь создающего электрическое напряжение. Сжатие элемента вдоль оси поляризации или растяжение, оказываемое в плоскости, перпендикулярной направлению поляризации, генерирует потенциал той же полярности, что и напряжение поляризации (Рис. 1.4.6). Если сила растяжения приложена вдоль оси поляризации, или элемент сжимается перпендикулярно оси поляризации, то полярность потенциала противоположна полярности напряжения поляризации (Рис. 1.4.в). Таким образом, пьезокерамический элемент преобразует механическую энергию растяжения или сжатия в электрическую энергию и по сути дела является генератором. Это свойство использовано для создания устройств поджига горючих жидкостей.

     При подаче напряжения с противоположной напряжению поляризации полярностью элемент станет короче и толще (Рис. 1.4.г). Если к пьезокерамическому элементу приложить напряжение, совпадающее по полярности с напряжением поляризации, то элемент удлинится, а его диаметр станет меньше (Рис. 1.4.д).

     Если приложить переменное напряжение, то диск будет удлиняться или укорачиваться циклически в соответствии с частотой приложенного напряжения. Преобразование электрической энергии в механическую отражает принцип двигателя - электрическая энергия преобразуется в механическую. Этот принцип заложен в основу создания пьезокерамических моторов, звуковых и ультразвуковых генерирующих устройствах и других изделиях. Рисунок 1.5 демонстрирует, что величина сжимающей силы и генерируемого пьезокерамическим элементом напряжения (электрического потенциала) находятся в линейной, прямо пропорциональной зависимости. Это же относится к приложенному напряжению и развиваемой деформации.

     Степень поляризации может быть также определена из уравнения Р = - (d Т), где d - пьезомодуль, а Т - величина сжимающей силы, действующей на пьезокерамический элемент (со знаком "минус" отражает величину силы растяжения).