Керамические сегнетоэлектрики

Керамические сегнетоэлектрики отличаются высокими нагревостойкостью и механической прочностью, негигроскопичностью и простотой технологии изготовления. Из керамических сегнетоэлектриков наибольшее практическое значение имеет титанат бария (BaTiO₃). Это поликристаллический материал, получаемый по керамической технологии из исходной массы, состоящей из окиси бария и двуокиси титана. Может быть получен и монокристаллический титанат бария.

Рисунок 1 – Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры

Температура Кюри Тк, равная для этого материала 120 °С. При температуре ниже Тк титанат бария обладает всеми сегнетоэлектрическими свойствами, а при температуре выше Тк сегнетоэдектрические свойства исчезают.

Рисунок 2 –Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от напряженности электрического поля.

Возрастание диэлектрической проницаемости, следовательно, емкости с увеличением приложенного к диэлектрику напряжения на блюдается только у сегнетоэлектриков Это свойство используется в диэлектрических усилителях. Электрический гистерезис сегнетоэлектриков позволяет применять их в качестве ячеек памяти в электронных вычислительных машинах.

Пьезоэлементы из керамических сегнетоэлектриков представляют собой шлифованные пластинки с нанесенными на них металлическими электродами. Чтобы эти пластинки приобрели пьезосвойства, их поляризуют приложением к ним постоянного напряжения. Напряжение прикладывают к предварительно нагретым пластинкам. Желательно, чтобы температура нагрева пластинок была близка к их температуре Кюри, При этих условиях процесс спонтанной поляризации в пластинках будет развиваться с наибольшей интенсивностью, т. е. подавляющее большинство доменов будет ориентировано под действием приложенного напряжения. Так, пьезоэлементы из титаната бария поляризуют при нагреве их до 115 °С в нефтяном масле и напряженности постоянного электрического поля Е = 14-1,5 МВ/м.

Кроме титаната бария в настоящее время создано большое количество сегнетокерамических материалов: титанат кадмия (CdTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ниобат лития (LiNbO₃) и др. Эти сегнетоэлектрики отличаются друг от друга главным образом значениями температуры Кюри. Так, у титаната бария Тк = +120 °С, у титаната кадмия Тк = 223 °С, а у ниобата лития Тк = +450 °С.

Наилучшими пьезосвойствами обладают твердые растворы одного сегнетокерамического вещества в другом. К таким материалам относится твердый раствор цирконата свинца в титанате свинца Pb(Zr,Ti)O₃, называемый цирконатом-титанатом свинца (марка ЦТС). При введении в эти соединения модифицирующих добавок получают сегнетокерамические материалы с характеристиками, изменяющимися в широких пределах.

Весьма большие значения диэлектрической проницаемости сегнетокерамических материалов позволяют изготовлять из них малогабаритные низкочастотные конденсаторы низкого напряжения, так как значения тангенса угла диэлектрических потерь у этих материалов относительно велики, а электрическая прочность относительно мала.