Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30

E-mail: tps@tpu.ru

Источник: Современные техника и технологии: сборник трудов XVII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 18–22 апреля 2011 г, 3 т. / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ).— 2011. — Т. 1. — С. 182–183, www.opac.lib.tpu.ru.

Пьезоэлектрический эффект присущ некоторым природным кристаллам, таким как кварц и турмалин, которые в течение многих лет использовались в качестве электромеханических преобразователей. Однако природные пьезоэлектрические материалы имеют достаточно высокую стоимость. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими пьезоэлектрическими монокристаллами, которые выращиваются в специальных установках. Пьезоэлектрические свойства таких кристаллов с достаточно высокой повторяемостью можно задавать путем композиции входящих в него компонентов. Пьезокерамика — один из перспективных материалов века XXI. Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями. Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, мало чувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам. Пьезокерамика — это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов).

Рисунок 1 — Титанат бария

По химическому составу это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония (рисунок  1). Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок синтезируют разные составы пьезокерамики, обладающие определенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками.

После этого керамику делают пьезоэлектрической с любым выбранным направлением поляризации путем помещения ее в сильное электриxеское поле при температуре ниже так называемой точки Кюри. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров.

Пьезокерамика, поляризованная сегнетокерамика, предназначена для использования в пьезоэлектрических преобразователях. В обычном состоянии сегнетокерамика не проявляет пьезоактивности, поскольку является изотропной средой вследствие хаотического расположения отдельных кристаллических зерен и деления их на домены с различным направлением спонтанной поляризованности. Анизотропность среды достигается за счет образования пьезоэлектрических текстур — поликристаллических агрегатов, в которых мелкие кристаллики имеют одинаковую ориентацию.

Однородная ориентация электрических осей кристалликов создается путем поляризации керамики при выдержке в сильном электрическом поле. После снятия поля сохраняется устойчивая остаточная поляризованность, материал становится текстурированным. По своим свойствам поляризованный текстурированный образец близок к однодоменному кристаллу, то есть обладает высокой пьезоактивностью. Но даже в наилучших пьезокерамиках все же наблюдается некоторый разброс направлений полярных осей отдельных кристаллитов (рисунок 2), поэтому средние значения пьезомодулей у керамики могут оказаться меньше, чем у составляющих ее монокристаллов.

Рисунок 2 — Проводящие доменные границы в сегнетоэлектрике феррите висмута BiFeO₄

Неоспоримыми преимуществами пьезокерамики по сравнению с монокристаллами являются ее технологичность и дешевизна. Изготовление пьезокерамики проще, чем выращивание монокристаллов. Из керамики можно изготавливать изделия любой формы — линзы, цилиндры и т. п. (рисунок 3).

Рисунок 3 — Изделия из керамики

Благодаря своим уникальным свойствам пьезокерамика находит все большее применение в различных областях техники и технологии.

Список литературы