Асбест и материалы на его основе

Асбест – это минерал волокнистого строения, волокна которого представляют агрегаты тончайших кристаллитов.

Длина волокон колеблется от десятых долей миллиметра до нескольких сантиметров. В электроизоляционной технике из множества асбестовидных минералов получил применение хризотиловый (или серпентинный) асбест, представляющий собой водный силикат магния 3MgO·2SiO₂·2H₂O с содержанием до 3% различных примесей в виде окислов железа, алюминия, кальция.

Асбест – это нагревостойкий материал, с невысокими электроизоляционными свойствами, достаточно эластичный, с высокой механической прочностью, обладает прядильной способностью.

Из асбеста изготавливают пряжу, ленты, шнуры, ткани, бумаги, картон и другие изделия. При температуре 450–700°С он теряет кристаллизационную воду и разрушается. Асбест относительно гигроскопичен и растворяется даже в слабых кислотах. При пропитке асбеста олифой, парафином, битумами и смолами его гигроскопичность и влагопоглощаемость снижаются. Электроизоляционные свойства асбеста невысокие: ρ=10⁸–10¹⁰ Ом·м; Е_пр= 2–6 кВ/мм, поэтому в высоковольтной и высокочастотной технике его не применяют.

Известны материалы на основе асбеста, главные из которых – электронит и асбестоцемент.

Электронит – пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим – каучук. Выпускают электронит в листах толщиной от 0,1 до 6 мм. При толщине 0,5 мм его Е_пр> 7 кВ/мм. Применяется электронит в низковольтной аппаратуре в качестве втулок, прокладок.

Асбестоцемент – неорганическая пластмасса, наполнителем которой является асбестовое волокно, связующим – портландцемент. Изготавливают из асбестоцемента доски толщиной от 4 до 40 мм, длиной 1200 и шириной 700–900 мм, трубы, муфты и другие фасонные изделия. У асбестоцемента неплохие механические свойства и высокая нагревостойкость (у непропитанного – более 220°С), искро- и дугостойкость. Благодаря последнему свойству он широко используется в производстве искро- и дугогасительных камер и перегородок.

Недугостойкие изделия из асбестоцемента, работающие в условиях окружающей атмосферы, в том числе для сильноточной аппаратуры, пропитывают обычно мазутом, каменноугольным пеком или битумом.

У пропитанного асбестоцемента водопоглощаемость до 2%, Е_пр =2–3 кВ/мм; ρ=10⁸–10¹⁰ Ом·м.

Минеральные диэлектрики

К минеральным диэлектрикам относятся мрамор, тальк, мел и др. Все они в электроизоляционной технике имеют ограниченное применение из-за низких электроизоляционных свойств.

Мрамор – минерал зернисто-кристаллического строения, состоящий в основном из карбоната кальция СаСО₃. Размер кристаллических зерен колеблется в широких пределах (от сотых долей миллиметра до 7 мм). Чем мельче зерно, тем выше механическая прочность, лучше электроизоляционные свойства, меньше гигроскопичность. Мрамор стоек к действию воды, щелочей, масел, органических растворителей, но растворяется в кислотах, даже слабых, с выделением СО₂. Он малостоек к термоударам. Во влажной среде электроизоляционные свойства его значительно ухудшаются. Для повышения влагостойкости изделия из мрамора пропитывают парафином, битумом или стиролом с последующей его полимеризацией или лакируют. Нагревостойкость мрамора длительная – до 100–110°С и кратковременная –до 250°С. Водопоглощаемость за 24 ч 0,15–0,4%. Его электрические свойства: ε=8–10; ρ=10⁵–10⁹ Ом·м, tgδ=(5–10)·10^–3 при 50 Гц; Е_пр =2,5 кВ/мм.

Тальк – минерал белого цвета или окрашенный в светлые тона, очень мягкий – легко режется ножом; его химическая формула – 3MgO´4SiO₂´H₂O. Температура плавления находится в пределах от 1200 до 1600°С, обладает относительно высокой кислотостойкостью.

В электротехнической промышленности тальк используют при изготовлении высоковольтной стеатитовой керамики и в качестве наполнителя для кабельных резин. В кабельной технике в качестве наполнителя также применяют и другие минералы: мел и каолин.

4.15. Активные диэлектрики

Активными (управляемыми) диэлектриками называют материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах с помощью внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического или магнитного поля, механического напряжения, температуры, светового потока и др. В этом их принципиальное отличие от обычных (пассивных) диэлектриков.

Из активных диэлектриков изготавливают активные элементы электронных приборов. Особенностью свойств этих материалов являются такие явления, как сегнетоэлектричество, электретный, пьезоэлектрический и электрооптический эффекты, инжекционные токи, послужившие основой для разработки диэлектрических приборов. Рассмотрим особенности строения и свойств некоторых активных диэлектриков, нашедших наиболее широкое применение.

4.15.1. Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики в отличие от обычных (пассивных) диэлектриков обладают регулируемыми электрическими характеристиками. Так, например, диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектриков с помощью электрического напряжения можно изменять в широких пределах. Характерная особенность сегнетоэлектриков заключатся в том, что у них наряду с электронной, ионной и релаксационными видами поляризации, вызываемыми внешним электрическим полем наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризация, под действием которой эти диэлектрики приобретают доменную структуру и характерные сегнетоэлектрические свойства.

Самопроизвольная поляризация проявляется в отсутствие электрического поля в определенном интервале температур ниже точки Кюри Т_квследствие изменения строения элементарной ячейки кристаллической решетки и образования доменной структуры, что, в свою очередь, вызывает у сегнетоэлектриков:

– необычно высокую диэлектрическую проницаемость (до десятков тысяч);

– нелинейную зависимость поляризованности, а, следовательно, и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного электрического поля;

– резко выраженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры;

– наличие диэлектрического гистерезиса.

Указанные выше свойства были детально изучены у сегнетовой соли (натриево-калиевая соль винной кислоты NaKC₄H₄O₆·4Н₂О), поэтому вещества, обладающие аналогичными свойствами, называют сегнетоэлектриками. Важнейшим для практического применения сегнетоэлектриком является титанат бария.

В настоящее время известно около 500 материалов, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. В зависимости от структуры элементарной ячейки и механизма спонтанной поляризации различают ионные и дипольные сегнетоэлектрики.

4.15.1.1. Ионные сегнетоэлектрики. К ним относятся: титанат бария ВаТiO₃ (T_к =120°С), титанат свинца РbТiO₃ (T_к =493°С), титанат кадмия CdTiO₃ (Т_к= 223°С), метаниобат свинца PbNb₂O₆ (T_к =575°С), ниобат калия KNbO₃ (T_к =435°С), иодат калия KJO₃ (Т_к =210°С). Все химические соединения этой группы нерастворимы в воде, обладают значительной механической прочностью, изделия из них получают по керамической технологии. Они представляют собой в основном кристаллы с преимущественно ионной связью.

Элементарная ячейка титаната бария при высоких температурах имеет форму куба (а =4,01·10^–10 м); в узлах куба расположены ионы бария, в середине граней – ионы кислорода, образуя кислородный октаэдр, в центре которого размещен ион титана (рис. 4.1,а).

Рис. 4.1. Элементарная ячейка (а, б)титаната бария и ее проекция (в, г) при температурах выше (а, в)и ниже точки Кюри (б, г)

В результате интенсивного теплового движения ион титана равновероятно находится вблизи каждого иона кислорода, поэтому электрический момент ячейки ввиду ее симметричности равен нулю, и диэлектрик находится в параэлектрическом состоянии (термин аналогичен термину «парамагнетик»).

При температурах равной и ниже некоторой, называемой точкой Кюри (Т_к),ион титана, благодаря ослаблению энергии теплового движения, оказывается преимущественно вблизи одного из ионов кислорода, смещаясь на 1·10^–11 м. В этом же направлении смещаются и ионы бария (на 5·10^–12 м).

Ион кислорода, находящийся напротив О^2–, к которому сместился Ti⁴⁺, сдвигается в противоположном направлении (на 4·10^–12 м). В результате этих смещений ионов кубическая решетка незначительно деформируется в тетрагональную (с параметрами элементарной ячейки а =3,99·10^–10 м, с =4,036·10^–10 м), а кислородный октаэдр несколько искажается (см. рис. 4.1, б,г ). Хотя все эти смещения ионов, в том числе и иона титана, сравнительно малы, они очень важны и приводят к образованию значительного электрического дипольного момента р ₀. Возникает спонтанная поляризация и происходит фазовый переход диэлектрика из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое.

Таким образом, самопроизвольная поляризация ионных сегнетоэлектриков возникает в отсутствие электрического поля в определенном интервале температур в результате смещения иона Ti⁴⁺ в объеме элементарной ячейки из центрального положения и деформации последней.

4.15.1.2. Дипольные сегнетоэлектрики. Их представителями являются сегнетова соль NaKC₄H₄O₆·4Н₂О (T_к =24°С), триглицинсульфат (NH₂CH₂COOH)₃ ·H₂SO₄ (Т_К =49°С), нитрит натрия NaNO₂ (Т_к =163°С), дигидрофосфат калия КН₂РО₄ (Т_к =–151°С). Химические соединения этой группы обладают низкой механической прочностью и растворимы в воде, благодаря чему из водных растворов этих соединений можно выращивать крупные монокристаллы. Атомы в этих соединениях несут на себе заряд, но связаны между собой преимущественно ковалентной связью.

Дипольные сегнетоэлектрики в элементарной ячейке содержат атом (ион) или группу атомов (ионов), имеющих два положения равновесия, в каждом из которых образуется электрический дипольный момент р ₀. При температурах выше точки Кюри в результате хаотического теплового движения эти два положения равновесия равновероятны, поэтому спонтанная поляризация отсутствует, и диэлектрик находится в параэлектрической фазе.

При Т ≤ Т_к одно из положений становится предпочтительным и в элементарной ячейке возникает дипольный момент; происходит спонтанная поляризация, и диэлектрик переходит из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое (осуществляется фазовый переход). На рис. 4.2 схематически показано строение элементарной ячейки NaNO₂.

Рис. 4.2. Схематическое изображение элементарной ячейки кристалла NaNO₂

 

При Т > Т_к ион N⁵⁺ в результате хаотического теплового движения равновероятно находится в «верхнем» (а) и «нижнем» (б) положении. При Т ≤ Т_К энергия; теплового движения иона N⁵⁺ уменьшается, и он остается в «верхнем» или «нижнем» положении; возникает дипольный момент р ₀ определенной направленности. Произошла спонтанная поляризация.

В результате спонтанной поляризации в ионных и дипольных сегнетоэлектриках элементарные ячейки с одинаково направленными электрическими моментами образуют небольшие объемы, называемые доменами. Следовательно, домен – это совокупность элементарных ячеек, имеющих общий вектор спонтанной поляризованности Р_с (Р_с =Σ p _o). Векторы Р_с отдельных доменов имеют различную направленность, поэтому суммарная поляризованность (или просто поляризация) Р всего образца сегнетоэлектрика равна нулю (Р =0).

Если монокристаллический образец поместить в электрическое поле и повышать его напряженность, то векторы дипольньх моментов отдельных доменов начнут ориентироваться в направлении силовых линий поля, и тем в большем количестве, чем больше будет напряженность электрического поля; поляризованность Р образца начнет возрастать. Когда векторы поляризованности всех доменов сориентируются по полю, наступит состояние технического насыщения и весь монокристалл станет однодоменным. При этом Р будет равна Р_Н, а диэлектрическая проницаемость примет максимальное значение. Если теперь поменять полярность электрического поля, то произойдет переполяризация – изменится направление вектора Р_с на противоположное. Техническое насыщение нужно отличать от спонтанной поляризованности Р_с, которая всегда присутствует в доменах.

Изменение знака спонтанной поляризации под действием электрического поля является важной особенностью сегнетоэлектриков.

Зависимость поляризованности Р и диэлектрической проницаемости ε от напряженности электрического поля Е имеет сложный вид (рис. 4.3).

С увеличением напряженности поля ε изменяется от начального значения ε_н до максимального ε_м (при Е = E_max) и далее уменьшается, приближаясь к значению ε_н в области сильных полей. Весь процесс изменения Р и ε от Е можно разбить на три участка (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зависимость поляризованности Ри диэлектрической проницаемости ε сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля Е

Участок I – область слабых электрических полей с напряженностью Еменьшей коэрцитивной силы Е_с. На этом участке поляризация осуществляется за счет обратимого смещения стенок доменов. Зависимость Р от Е линейная, ε от Е практически не зависит, т.е. сегнетоэлектрик ведет себя аналогично обычному диэлектрику.

Участок II – область приближения Е к Е_с характеризуется поляризацией образца путем необратимого смещения стенок доменов. Значения Р и ε на этом участке максимально зависят от Е. Небольшие изменения напряженности электрического поля приводят к резкому изменению поляризованности и диэлектрической проницаемости и при E_макс диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения ε=ε_м. Этот участок характеризуется коэффициентом эффективной нелинейности К_эф

                                   .                                                 

С увеличением частоты  уменьшается. Наибольшее значение он имеет при низких частотах. При высоких частотах, когда полупериод приложенного напряжения становится меньше времени переполяризации доменов,  существенно уменьшается. Коэффициент  является важной характеристикой сегнетоэлектриков, используемых в варикондах, диэлектрических усилителях, стабилизаторах переменного напряжения. Например, вариконды работают на участке II ε(Е), когда  максимален. В зависимости от природы материала  изменяется от 1 до 50 (табл. 4.5).

Таблица 4.5

Свойства сегнетокерамики для варикондов

Материалы	TК,°С	ε Н		Емакс,кВ/м	tgδ
ВК–1	75±10	2000	6–8	150–200	0,02
ВК–2	75±10	2000	15–20	120–150	0,01
ВК–3	25±10	10 000	1–2	50–100	0,03
ВК–4	105±10	1800	10–16	250–300	0,015
ВК–5	75±10	2000	35–50	80–100	0,01
ВК–6	200	400	20–50	500–600	0,03
ВК–7	–10	3000	–	–	0,001

На участке III, в самом его конце, поляризация образца практически заканчивается полностью, при этом поляризованность достигает технического насыщения Р_н, а гистерезисная петля становится предельной петлей диэлектрического гистерезиса. Если на этом участке снять внешнее электрическое поле (Е =0), образец сохранит остаточную поляризованность Р_о(рис. 4.4).

Рис. 4.4. Предельная петля диэлектрического гистерезиса сегнетоэлектрика

Остаточная поляризованность Р ₀всегда меньше спонтанной поляризованности Р_с, так как после снятия напряжения образец сегнетоэлектрика частично деполяризуется. У монодоменного образца Р ₀= Р_с. Отношение Р ₀ к   является коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса

                                                              _.                                                                            

Коэффициент   является важной характеристикой сегнетоэлектриков с ППГ, которые можно использовать в запоминающих устройствах ЭВМ (твердотельного интегрального исполнения). Значение   у этих сегнетоэлектриков должно быть больше 0,9.

На участке III диэлектрическая проницаемость снижается, так как увеличивается Е:

                                  .                                               

С дальнейшим ростом напряженности поля Р образца слегка возрастает (см. рис. 4.4, отрезок ВС)за счет обычных видов поляризации (электронной, ионной, дипольной), а e продолжает снижаться, приближаясь к значению ε_н, в области сильных электрическим полей.

При циклическом изменении электрического поля зависимость поляризованности от напряженности поля примет вид петли гистерезиса (см. рис. 4.4), аналогичной для ферромагнетиков.

Из предельной петли диэлектрического гистерезиса можно определить остаточную поляризованность Р ₀(при Е =0), коэрцитивную силу Е_с и другие характеристики. Величины Р_н и Е_н являются соответственно значениями поляризованности и напряженности поля, указывающими начало участка насыщения (отрезок ВС)предельной петли диэлектрического гистерезиса. Экстраполяция отрезка ВСдо пересечения с осью Р дает величину, приближенно равную спонтанной поляризации Р_с. По значению коэрцитивной силы Е_с сегнетоэлектрические материалы подразделяют на сегнетомягкие (Е_с ≤0,1 МВ/м) и сегнетотвердые (Е_с ≤1 МВ/м).

Площадь петли гистерезиса характеризует величину энергии электрического поля, затрачиваемую на переориентацию доменов, и численно равна диэлектрическим потерям данного образца сегнетоэлектрика за один период изменения электрического напряжения.

Спонтанная поляризация наблюдается в диапазоне частот от постоянного напряжения до СВЧ. Диэлектрическая проницаемость титаната бария, начиная с частоты примерно 10⁷ Гц, снижается, а диэлектрические потери возрастают (рис. 4.5). В слабых электрических полях при комнатной температуре величина ε BaTiO₃ лежит (в зависимости от марки материала) в пределах 500–20000, tgδ равен 0,02–0,03.

Рис. 4.5. Зависимость ε и tgδ титаната бария от частоты в слабых полях

На рис. 4.6 показана температурная зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария, из которой видно, что спонтанная поляризация данного материала проявляется только при температурах ниже 120°С (точка Кюри). Две аномалии на кривой, лежащие ниже точки Кюри, имеют место вследствие частичного смещения иона титана внутри элементарной ячейки и вызванного этим дополнительного изменения структуры.

Рис. 4.6. Зависимость диэлектрической проницаемости ε титаната бария от температуры при Е_макс =5,6 кВ/м (1) и Е_макс =110 кВ/м (2)

В зависимости от температуры ВаТiO₃, имеет следующие типы структур: кубическую – свыше +120°С, тетрагональную – при +120°С и ниже, ромбическую – при 0°С и ниже, ромбоэдрическую – ниже минус 80°С. В данном случае, кроме основного фазового перехода (перехода из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое) наблюдается еще два фазовых перехода.

Путем изменения состава сегнетоэлектрика можно изменять значения диэлектрической проницаемости и точки Кюри в широких пределах. Например, при изменении соотношения компонентов твердого раствора BaTiO₃ и SrTiO₃ ε при T_к изменяется от 2000 до 12000, а точка Кюри – от 120°С (ВаТO₃ – 100%) до 250°С (SrTiO₃ –100%).

Сегнетоэлектрики используют для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов, варикондов – конденсаторов, емкость которых изменяется с изменением напряженности электрического поля, и других активных элементов электрических схем. Для изготовления этих элементов используют сегнетокерамику – керамику, полученную на основе сегнетоэлектриков.

Сегнетокерамика для изготовления малогабаритных конденсаторов должна иметь максимально высокое значение диэлектрической проницаемости с малой ее зависимостью от температуры, низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность и наименьшую зависимость ε и tgδ от напряженности электрического поля (малую нелинейность). Последнее требование хорошо выполняется при работе конденсаторов в слабых электрических полях (рис. 4.3, участок 1). Среди используемой конденсаторной сегнетокерамики можно выделить ряд материалов:

– СМ–1, изготовленный на основе титаната бария с добавкой оксидов циркония и висмута, имеет сглаженную зависимость ε от температуры и предназначен для производства малогабаритных конденсаторов на низкие напряжения;

– Т–7500 имеет кристаллическую фазу, представляющую собой твердый раствор SrTiO₃ и СаТiO₃ в ВаТiO₃ и предназначен для изготовления низковольтных и высоковольтных конденсаторов, работающих при комнатной температуре (в узком интервале температур)

Известны и другие сегнетокерамические материалы для конденсаторов, кристаллической фазой которых являются твердые растворы в системах, например ВаТо₃–BaSrO₃. Эти материалы имеют большие значения ε и более сглаженную зависимость ее от температуры.

Сегнетокерамика для изготовления варикондов должна обладать резко выраженной зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля. Вариконды (от слов «вариация» и «конденсатор») являются нелинейными конденсаторами и по своему функциональному действию аналогичны варикапам; их емкость от напряженности поля изменяется вследствие изменения ε (см. рис. 4.3).

В производстве варикондов наиболее широкое применение получили материалы ВК–1, ВК–2 и ВК–4 (табл. 4.6) и др.

Таблица 4.6

Характеристики варикондов

Тип вариконда	Номинальная емкость (U =5 В, f =50 Гц), пФ	Тип вариконда	Номинальная емкость (U =5 В, f =50 Гц), пФ	Тип вариконда	Номинальная емкость (U =5 В, f =50 Гц), пФ
ВК1–0	100	ВК2–1	470	ВК4–М	10 и 22
ВК1–1	510 и 1500	ВК2–2	2200	ВК4–0	68
ВК1–2	2700 и 5100	ВК2–3	6800	ВК4–1	220
ВК1–3	6800 и 12 000	ВК2–4	10 000	ВК4–2	1500
ВК1–Б	0,15 и 0,2мкФ	ВК2–3Ш	6800	ВК4–3	4700
ВК2–5М	10 и 22	ВК2–5	0,15 мкФ	ВК4–4	6800
ВК2–0	100	ВК2–Ш	0,15 и 0,22 мкФ	ВК4–Б	100 000

В серийном производстве вариконды изготавливают либо в виде одиночных дисков, либо это диски, собранные в цилиндр, с номинальными значениями емкости от 10 пФ до 0,22 мкФ. Высокие нелинейные свойства позволяют использовать вариконды в самых различных схемах: для стабилизации напряжения, умножения частоты, преобразования синусоидального напряжения в импульсное.

Сегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом и применяются для изготовления пьезоэлектрических преобразователей. Ряд из них обладают электрооптическими свойствами и используются для модуляции лазерного излучения электрическим полем, приложенным к кристаллу, а также другими свойствами. Некоторые сегнетоэлектрики, так называемые сегнетоэластики, обладают при определенной температуре спонтанной деформацией, знак которой может быть изменен при внешних воздействиях.

4.15.2. Пьезоэлектрики

При поляризации, вызванной приложенным электрическим полем, все диэлектрики несколько изменяют свои геометрические размеры – образец деформируется. Это явление называется электрострикцией. Величина деформации образца (Δl/l) обычно очень мала, пропорциональна квадрату напряженности поля и не зависит от его направления:

                                     ,                                                   

где   –электрострикционный коэффициент.

Рис. 4.7. Схематическое изображение состояния зарядов и геометрических размеров образца диэлектрика, не обладающего пьезоэффектом: под действием электрического напряжения (наблюдаются поляризация и электрострикция) (а); механического напряжения (б)

Если к диэлектрику ионного строения симметричной формы (например, NaCl) приложить электрическое поле, то его положительные ионы сместятся по полю, а отрицательные – против поля; возникнет поляризация и деформация (электрострикция) образца (рис. 4.7,а). Если же этот образец (из-за своей симметричной формы, не обладающий пьезоэффектом) подвергнуть механической деформации, например растяжению, то число зарядов (ионов) одного и другого знака, сместившихся в одном направлении, будет одинаковым, поэтому заряд на противоположных гранях образца не образуется (рис.4.7, б). Следовательно, явление электрострикции необратимо, т.е. у большинства веществ деформация образца, вызванная механическим напряжением, не приводит к его поляризации.

Однако существуют такие диэлектрики, которые поляризуются в отсутствие электрического поля под действием механического напряжения. Это явление было открыто в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри и получило название пьезоэлектрический эффект (от греч. «пьезо» – «давить»).

4.15.2.1. Пьезоэлектрический эффект. Это явление, когда под действием механического напряжения (или деформации) происходит электрическая поляризация диэлектрика и образование на его поверхности электрических зарядов. Такой эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом называют пьезоэлектриками.

Наблюдается пьезоэффект только у ряда твердых анизотропных кристаллических диэлектриков, не имеющих центра симметрии, в результате их деформации. Например, некоторые ионные кристаллы состоят из двух или более простых решеток, каждая из которых построена из ионов одного знака (+ или –). Эти простые решетки «вдвинуты» одна в другую. В таких кристаллах под действием приложенного механического напряжения наблюдаются два типа деформации:

1 – деформируется каждая элементарная решетка;

2– может произойти сдвиг элементарных решеток друг относительно друга.

Сдвиг простых решеток и вызывает пьезоэлектрический эффект. Деформация сдвига простых решеток произойдет только в том случае, если элементарные ячейки не имеют центра симметрии. Например, CsCl имеет центр симметрии, а кварц, турмалин, сегнетоэлектрики – не имеют, поэтому пьезоэффект будет только у последних трех диэлектриков.

Различают прямой и обратный пьезоэффекты (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Иллюстрация прямого (а) и обратного (б) пьезоэффектов

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют возникновение поляризации диэлектрика и образование на его поверхности электростатических зарядов в результате воздействия механического напряжения. Возникающая при этом поляризованность диэлектрика Р, Кл/м², и поверхностные электрические заряды плотностью σ, Кл/м², будут прямо пропорциональны приложенному механическому напряжению G, Н/м²:

                                        ,                                                     

                                        ,                                                     

где d – коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем, Кл/Н.

Пьезомодуль численно равен заряду, возникающему на единице поверхности образца при приложении к нему единицы давления [(Кл/м²)/(Н/м²)=Кл/Н]. Его величина у используемых на практике пьезоэлектриков 10^–10–10^–12 Кл/Н. Изменение знака G в (4.5) и (4.6) (замена растяжения сжатием) приводит к изменению знака s и Р, т.е. вызывает переполяризацию.

При обратном пьезоэффекте происходит механическая деформация кристалла под действием приложенного электрического поля. При этом величина механической деформации (Δ l/l) будет пропорциональна напряженности электрического поля Е

                                      ,                                                   

а его знак зависит от направления поля Е. Не следует смешивать обратный пьезоэлектрический эффект с явлением электрострикции. При электрострикции между деформацией и напряженностью поля существует квадратичная зависимость (4.4), и деформация не зависит от направления поляризующего поля. При обратном пьезоэффекте зависимость между напряженностью поля и деформацией линейна (4.7) и, что очень важно, изменение знака деформации (растяжение, сжатие) следует за изменением направленности поля. Электрострикция возникает у всех диэлектриков, в том числе газообразных и жидких, пьезоэффект – только в анизотропных кристаллах, не имеющих центра симметрии.

Для характеристики пьезоэффекта у пьезоэлементов определенной конструкции, наряду с пьзомодулем, часто используют коэффициент электромеханической связи к, который определяется:

для прямого пьезоэффекта

,                                   (4.8)

для обратного пьезоэффекта

,                                  (4.9)

где W – вся энергия, затрачиваемая на деформацию (W=W_M + W_э);
W_э – электрическая энергия, генерируемая пьезоэлементом; W_М – энергия механической деформации.

Коэффициент электромеханической связи также используется для характеристики пьезоэлектрических свойств материалов.

Каждый пьезоэлектрик является электромеханическим преобразователем. Например, если пьезоэлектрик 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 (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Схематическое изображение поляризации и деформации пьезоэлектрика в переменном электрическом поле (б), изменение деформации образца (а), изменение электрического напряжения (в)

Прямой пьезоэффект используют в технике для преобразования механических напряжений или деформаций в электрические сигналы (звукосниматели, датчики деформаций, приемники ультразвука). Обратный пьезоэффект используют для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука).

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 (поликристаллические) и полимерные пьезоэлементы.

4.15.2.2. Монокристаллические пьезоэлектрики. Важное место среди них занимает монокристаллический кварц – природный или выращенный искусственно. Природный кварц прозрачный и бесцветный. Механическая нагрузка в 1 кгс/см² на пластину кварца обусловливает возникновение разности потенциала в 0,06 В. Из монокристалла кварца под строго определенным углом к кристаллографическим осям выпиливают пластины. Затем поверхности пластин шлифуют, полируют и наносят на них металлические электроды методом напыления металла в вакууме, химического осаждения или вжигания. Пластина кварца с нанесенными на нее электродами и держателем представляет собой резонатор (электромеханический преобразователь) с очень малым tgδ (≈10^–4) и высокой механической добротностью Q_М (для обычных образцов Q_М =10⁴–10⁶, а для лучших кристаллов до 10⁷).

Если на резонатор подать переменное напряжение, то при частоте электрических колебаний, совпадающей с одной из собственных механических частот кварца, наступает механический резонанс, и в пластине возникают очень сильные механические колебания строго определенной частоты (см. рис. 4.8). Такие кварцевые пластины являются мощным излучателем волн сверхзвуковой частоты и используются в качестве стабилизаторов частоты.

Кроме монокристаллического кварца, в различных пьезопреобразователях используют монокристаллические пьезоэлектрики: сульфат лития, сегнетова соль, ниобат и танталат лития, – имеющие более высокие, чем кварц, пьезомодули и коэффициенты электромеханической связи. Фильтры из LiNbO₃ и LiTaO₃ имеют большую широкополосность при меньших габаритах, чем из кварца, а механическая добротность сохраняет у них высокие значения (10⁶) до СВЧ–диапозона, тогда как у кварца она снижается до значения 10⁵ выше 100 МГц.

4.15.2.3. Пьезокерамика. Обычная керамика на основе сегнетоэлектриков – сегнетокерамика изотропна и поэтому не обладает пьезоэффектом. Для придания сегнетокерамике пьезоэлектрических свойств ее поляризуют – выдерживают в сильном (Е =2–4 МВ/м) постоянном электрическом поле при температуре 100–150°С в течение одного часа. После снятия поля в керамике сохраняется остаточная поляризация, так как векторы спонтанной поляризованности части доменов остаются ориентированными в направлении, близком к направлению электрического поля. Эта направленность доменов закрепляется свободными зарядами противоположных знаков. Керамика становится текстурированной – из изотропного состояния превращается в анизотропное; у нее появляется пьезоэффект. Поляризованная сегнетокерамика и называется пьезокерамикой.

Широкое применение для изготовления пьезопреобразователей нашла пьезоэлектрическая керамика, изготовленная в основном из твердых растворов цирконата – титаната свинца (ЦТС) PbZrO₃–PbTiO₃. Ее преимущество перед монокристаллами – возможность изготовления активных элементов сложной формы и любых размеров. Недостаток заключается в том, что из-за высоких значений ε, и tgδ пьезокерамику трудно, а часто невозможно применять на частотах свыше 10 МГц. На ВЧ и СВЧ можно использовать только монокристаллические пьезоэлектрические материалы: кварц, турмалин, ниобат и танталат лития и некоторые другие. Используют пьезокерамику для изготовления малогабаритных микрофонов, датчик