ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, кристаллич. вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрич. свойствами (см. Пьезоэлектричество), применяемые для изготовления электромеханич. преобразователей: пьезоэлектрич. резонаторов, пьезоэлектрических датчиков, излучателей и приёмников звука и др. Осн. характеристиками П. м. являются: 1) коэфф. электромеханической связи

k =d корень квадратный из4ПиЕ/е, где d - пьезомодуль, Е -модуль упругости, е - диэлектрическая проницаемость (в анизотропных П. м. все эти и нижеследующие величины - тензорные); 2) величина k²/tg5, определяющая кпд преобразователя (6 - угол диэлектрических потерь); 3) отношение механич. мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрич. поля в нём; определяется величиной (dE)²; 4) dE корень квадратный изЕс_3В и d корень квадратный из с_3В/ корень квадратный из е; определяют чувствительность приёмника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах (с_3В - скорость звука в П. м.). В табл. приведены характеристики нек-рых наиболее распространённых П. м. К П. м. в зависимости от назначения предъявляются спец. требования: высокая механич. и электрич. прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т. д.

П. м. могут быть разбиты на: монокристаллы, встречающиеся в виде природных минералов или искусственно выращиваемые (кварц, дигидрофосфаты калия и аммония, сегнетова соль, ниобат лития, силикоселенит и германоселенит и др.), и поликристаллич. сегнетоэлектрич. твёрдые растворы, подвергнутые после синтеза поляризации в электрич. поле (пьезокерамика). Из П. м. первой группы применяются лишь нек-рые кристаллы, напр. кварц, обладающий большой температурной стабильностью свойств, механич. прочностью, малыми диэлектрич. потерями и влагостойкостью. Недостатки - сравнительно слабый пьезоэффект, малые размеры кристаллов, трудность обработки. Используется гл. обр. в пьезоэлектрич. фильтрах и стабилизаторах частоты (см. Кварцевый генератор); в лабораторной технике применяются кварцевые излучатели и приёмники ультразвука. Дигидрофосфат аммония - искусственно выращиваемый сегнетоэлектрич. кристалл, химически стоек, до точки плавления (Гпл = 130 °С) обладает сравнительно сильно выраженным пьезоэффектом и малой плотностью, однако недостаточно механически прочен. Кристаллы сегнетовой соли (выращиваемые до больших размеров) имеют высокие значения характеристик, определяющих чувствительность приёмника звука. Малая влагостойкость, низкая механич. прочность, а также сильная зависимость свойств от темп-ры (из-за низких значений темп-ры Кюри и Гпл = 55 ° С) и напряжённости электрич. поля ограничивают применение сегнетовой соли. Ниобат лития, силикоселенит и германоселенит наряду с сильно выраженным пьезоэффектом и высокой механич. прочностью обладают высокой акустич. добротностью и используются в области гиперзвуковых частот (см. Гиперзвук). Турмалин, гидрофосфат калия, сульфат лития и др. практически не используются. Наиболее распространённым пром. П. м. является пьезоэлектрическая керамика.

Основные характеристики наиболее распространённых пьезоэлектрических материалов при температуре 16-20^оС

Плотность, р^.10³ кг/м³

Скорость звука,

с_3В, 10³

м/сек

Диэлектрическая проницаемость ,

е

Пьезомодуль,

d, 10¹² к/н

Тангенс угла диэлектрических потерь, tg о ^.10²

Коэффициент электромеханической связи k

k²

/tgо

Примечание

Кварц

2,6

5,47⁽¹¹⁾

4,5⁽¹¹⁾

2,31⁽¹¹⁾

<0,5

0,095

>0,4

срез х

Дигидрофосфат аммония (АДР)

1,8

5,27⁽³³⁾

21,8

24,0^(36)/2

<1

0,3

>8

срез 45° относительно оси z срез у

Сульфат лития

2,05

4,7⁽³³⁾

10,3⁽²²⁾

18,3⁽²²⁾

<1

0,37

>10

Сегнетова соль

1,77

3,9⁽²²⁾

250⁽¹¹⁾

172^(14)/2

>5

0,67

<13

срез 45° относительно оси X‘, вещество при Т>55 ^оС распадается

Сульфоиодид сурьмы

5,2

1,5⁽³³⁾

1000⁽³³⁾

22⁽³¹⁾

5-10

0,8⁽³³⁾

9

150⁽³³⁾

Пьезокерамика

Титанат бария (ТБ - 1)

5,3

4,45

1500

45

2-3

0,16

1,5

4,2

100

0,35

5,2

Титанат бария кальция (ТБК-3)

5,4

4,7

1180

51

1,3; 4,0

0,17

2,2

4,7

113

0,37

10,5

Группа цирконата - титаната свинца ЦТС-23

7, 4

3,2

1100

75

0,75-2,0

0,2

1

3,0

150

0,41

4,2

ЦТБС-3

7,2

3,5

2300

160

1,2-2,0

0,32

5

3,2

316

0,65

20

ЦТСНВ 1

7,3

2,9

2200

200

1,9-9,5

0,34

1,24

2,6

430

0,72

2,5

PZT-5H

7,5

2,8

3400

274

2,0-3,0

0,39

1,7

данные фирмы Кливайт (США)

2,5

590

0,75

6,8

PZT-8

7,6

3,4

1000

93

0,4-0,7

0,29

12,5

3,1

217

0,62

50,0

Примечание. Цифры в скобках у монокристаллов определяют индексы соответствующих тензорных характеристик, напр.: (36)/2 означает 1/2d₃₆. Для пьезокерамики верхние значения постоянных имеют индексы (11) или (31), а нижние (33), величины d₃₁<0, d₃₃>0. Значения tg б для кристаллов даны для поля E<0,05 кв/см: для пьезокерамики tg 6 даётся в интервале 0,05 кв/см=<E< <2 кв/см. Данные для отечественной пьезокерамики даны на основании ГОСТ 18 927 - 68.

Лит.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966; Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Ультразвуковые преобразователи, пер. с англ., под ред. Е. Кикучи, М., 1972.

Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков.