Пьезокерамика

Пьезокера́мика — искусственный материал, обладающий пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами, имеющий поликристаллическую структуру.

Пьезокерамика не принадлежит к классическим видам керамики, поскольку в её состав не входит глинистое вещество. Пьезокерамические материалы синтезируются из окислов металлов. Однако применение характерного для керамической технологии приёма — обжига при высокой температуре — оправдывает отнесение пьезокерамических материалов к семейству керамики. Пьезо (от греческого «пиезо» — давить) указывает на то, что этому виду керамики присуще особое свойство — пьезоэлектрический эффект.

По сравнению с монокристаллическими пьезоэлектриками пьезокерамики отличаются технологичностью, дешевизной и выраженностью пьезоэлектрических и диэлектрических свойств. Из пьезокерамики можно изготавливать изделия любой формы — пластины, диски, цилиндры, трубки, сферы и т. п., которые чрезвычайно сложно или невозможно изготавливать из монокристаллов. Пьезокерамика широко используется для созданий датчиков ускорений, давлений, пьезоотметчиков ударных волн, мощных излучателей ультразвука и ударных волн, пьезотрансформаторов, пьезорезонансных фильтров, линий задержки. Пьезокерамики стойки к действию влаги, к механической нагрузкам и атмосферным воздействиям.

По физическим свойствам пьезокерамика это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов). Размеры кристаллитов обычно от 2 до 100 мкм. Каждый кристаллит представляет собой сегнетоэлектрический кристалл. Пьезокерамики обладают всеми свойствами, присущими кристаллическим сегнетоэлектрикам. По химическому составу пьезокерамика — сложный оксид, обычно включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырёхвалентного титана или циркония. Изменяя соотношения исходных материалов и вводя различные добавки синтезируют составы пьезокерамики, обладающие определенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками. Большинство составов ПК основано на химических соединениях с кристаллической структурой типа перовскита с формулой АВО₃ (напр., ВаТiO₃, РbTiO₃, LiNbO₃) и различных твёрдых растворов на их основе (напр., системы ВаТiO3 — СаТiO3; ВаТiO3 — СаТiO3 — СоСO3; NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектриков составы системы цирконата-титаната свинца (ЦТС или PZT) PbTiO₃ — PbZrO₃.[www.megabook.ru/Article.asp?AID=665759 1]

Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют твердые растворы титаната — цирконата свинца (ЦТС, PZT), модифицированные различными компонентами и добавками. Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария (ТБ), титаната свинца (ТС), метаниобата свинца (МНС), титаната висмута (ТВ) и др.

Впервые ПК материал был синтезирован в 1944 г. советским учёным Б. М. Вулом, обнаружившим сегнетоэлектрические свойства титаната бария ВаТiO₃. Практически одновременно эти свойства титаната бария были обнаружены американскими и японскими исследователями.

В России разработаны и производятся следующие марки пьезокерамик: ЦТС-19, ЦТС-36 (ПКР-1), ЦТС-21, ПКР-61.

В исходном состоянии поляризация пьезокерамических (ПК) элементов равна нулю, поскольку каждый кристаллит разбит на домены и имеет случайное направление кристаллографической оси. При приложении внешнего электрического поля превышающего определённую величину, называемую коэрцитивным полем, направления поляризации кристаллитов выстраиваются в направлении максимально близком к направлению поляризующего поля. Поляризованная пьезокерамика обладает ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами.

Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят её на сегнетожесткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление на керамику средней сегнетожесткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

Величина пьезомодуля d33 достигает нескольких сотен пКл/Н. Также ПК характеризуется высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости.

Качество пьезокерамики характеризуется следующими, принятыми за рубежом, основными параметрами:

K^T₃₃ (e^T₃₃/e₀) — относительная диэлектрическая проницаемость;

tg d — тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 кГц в слабых полях;

T_c (T_k) — температура точки Кюри;

K_p K₃₃ K₃₁ K₁₅ — коэффициенты электромеханической связи;

d₃₃ -d₃₁ d₁₅ — пьезоэлектрические модули;

g₃₃ g₃₁ g₁₅ — электрические коэффициенты по напряжению;

Y^E₁₁ Y^E₃₃ — модули Юнга;

N_L N_T N_R — частотные постоянные;

S^E₁₁ S^E₃₃ — параметр эластичности;

r — плотность;

Q_m — механическая добротность.

Литература

• Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
• Глозман И. А. Пьезокерамика, 2 изд., М., 1972;
• Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика, пер. с англ., М., 1974;
• Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков, пер. с япон., М., 1976.
• Gene H. Haertling, «Ferroelectric Ceramics: History and Technology», J. Am. Ceram. Soc., 82 [4] 797—818 (1999)
• Сергей Жуков «О пьезокерамике и перспективах её применения» www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/01_01/stat-48.htm

К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)

Отрывок, характеризующий Пьезокерамика

Выражение: «началось! вот оно!» было даже и на крепком карем лице князя Багратиона с полузакрытыми, мутными, как будто невыспавшимися глазами. Князь Андрей с беспокойным любопытством вглядывался в это неподвижное лицо, и ему хотелось знать, думает ли и чувствует, и что думает, что чувствует этот человек в эту минуту? «Есть ли вообще что нибудь там, за этим неподвижным лицом?» спрашивал себя князь Андрей, глядя на него. Князь Багратион наклонил голову, в знак согласия на слова князя Андрея, и сказал: «Хорошо», с таким выражением, как будто всё то, что происходило и что ему сообщали, было именно то, что он уже предвидел. Князь Андрей, запихавшись от быстроты езды, говорил быстро. Князь Багратион произносил слова с своим восточным акцентом особенно медленно, как бы внушая, что торопиться некуда. Он тронул, однако, рысью свою лошадь по направлению к батарее Тушина. Князь Андрей вместе с свитой поехал за ним. За князем Багратионом ехали: свитский офицер, личный адъютант князя, Жерков, ординарец, дежурный штаб офицер на энглизированной красивой лошади и статский чиновник, аудитор, который из любопытства попросился ехать в сражение. Аудитор, полный мужчина с полным лицом, с наивною улыбкой радости оглядывался вокруг, трясясь на своей лошади, представляя странный вид в своей камлотовой шинели на фурштатском седле среди гусар, казаков и адъютантов.
– Вот хочет сраженье посмотреть, – сказал Жерков Болконскому, указывая на аудитора, – да под ложечкой уж заболело.
– Ну, полно вам, – проговорил аудитор с сияющею, наивною и вместе хитрою улыбкой, как будто ему лестно было, что он составлял предмет шуток Жеркова, и как будто он нарочно старался казаться глупее, чем он был в самом деле.
– Tres drole, mon monsieur prince, [Очень забавно, мой господин князь,] – сказал дежурный штаб офицер. (Он помнил, что по французски как то особенно говорится титул князь, и никак не мог наладить.)
В это время они все уже подъезжали к батарее Тушина, и впереди их ударилось ядро.
– Что ж это упало? – наивно улыбаясь, спросил аудитор.
– Лепешки французские, – сказал Жерков.
– Этим то бьют, значит? – спросил аудитор. – Страсть то какая!
И он, казалось, распускался весь от удовольствия. Едва он договорил, как опять раздался неожиданно страшный свист, вдруг прекратившийся ударом во что то жидкое, и ш ш ш шлеп – казак, ехавший несколько правее и сзади аудитора, с лошадью рухнулся на землю. Жерков и дежурный штаб офицер пригнулись к седлам и прочь поворотили лошадей. Аудитор остановился против казака, со внимательным любопытством рассматривая его. Казак был мертв, лошадь еще билась.
Князь Багратион, прищурившись, оглянулся и, увидав причину происшедшего замешательства, равнодушно отвернулся, как будто говоря: стоит ли глупостями заниматься! Он остановил лошадь, с приемом хорошего ездока, несколько перегнулся и выправил зацепившуюся за бурку шпагу. Шпага была старинная, не такая, какие носились теперь. Князь Андрей вспомнил рассказ о том, как Суворов в Италии подарил свою шпагу Багратиону, и ему в эту минуту особенно приятно было это воспоминание. Они подъехали к той самой батарее, у которой стоял Болконский, когда рассматривал поле сражения.
– Чья рота? – спросил князь Багратион у фейерверкера, стоявшего у ящиков.
Он спрашивал: чья рота? а в сущности он спрашивал: уж не робеете ли вы тут? И фейерверкер понял это.
– Капитана Тушина, ваше превосходительство, – вытягиваясь, закричал веселым голосом рыжий, с покрытым веснушками лицом, фейерверкер.
– Так, так, – проговорил Багратион, что то соображая, и мимо передков проехал к крайнему орудию.
В то время как он подъезжал, из орудия этого, оглушая его и свиту, зазвенел выстрел, и в дыму, вдруг окружившем орудие, видны были артиллеристы, подхватившие пушку и, торопливо напрягаясь, накатывавшие ее на прежнее место. Широкоплечий, огромный солдат 1 й с банником, широко расставив ноги, отскочил к колесу. 2 й трясущейся рукой клал заряд в дуло. Небольшой сутуловатый человек, офицер Тушин, спотыкнувшись на хобот, выбежал вперед, не замечая генерала и выглядывая из под маленькой ручки.
– Еще две линии прибавь, как раз так будет, – закричал он тоненьким голоском, которому он старался придать молодцоватость, не шедшую к его фигуре. – Второе! – пропищал он. – Круши, Медведев!
Багратион окликнул офицера, и Тушин, робким и неловким движением, совсем не так, как салютуют военные, а так, как благословляют священники, приложив три пальца к козырьку, подошел к генералу. Хотя орудия Тушина были назначены для того, чтоб обстреливать лощину, он стрелял брандскугелями по видневшейся впереди деревне Шенграбен, перед которой выдвигались большие массы французов.
Никто не приказывал Тушину, куда и чем стрелять, и он, посоветовавшись с своим фельдфебелем Захарченком, к которому имел большое уважение, решил, что хорошо было бы зажечь деревню. «Хорошо!» сказал Багратион на доклад офицера и стал оглядывать всё открывавшееся перед ним поле сражения, как бы что то соображая. С правой стороны ближе всего подошли французы. Пониже высоты, на которой стоял Киевский полк, в лощине речки слышалась хватающая за душу перекатная трескотня ружей, и гораздо правее, за драгунами, свитский офицер указывал князю на обходившую наш фланг колонну французов. Налево горизонт ограничивался близким лесом. Князь Багратион приказал двум баталионам из центра итти на подкрепление направо. Свитский офицер осмелился заметить князю, что по уходе этих баталионов орудия останутся без прикрытия. Князь Багратион обернулся к свитскому офицеру и тусклыми глазами посмотрел на него молча. Князю Андрею казалось, что замечание свитского офицера было справедливо и что действительно сказать было нечего. Но в это время прискакал адъютант от полкового командира, бывшего в лощине, с известием, что огромные массы французов шли низом, что полк расстроен и отступает к киевским гренадерам. Князь Багратион наклонил голову в знак согласия и одобрения. Шагом поехал он направо и послал адъютанта к драгунам с приказанием атаковать французов. Но посланный туда адъютант приехал через полчаса с известием, что драгунский полковой командир уже отступил за овраг, ибо против него был направлен сильный огонь, и он понапрасну терял людей и потому спешил стрелков в лес.