Пьезоэлектрические материалы

Определение "Пьезоэлектрические материалы" в Большой Советской Энциклопедии

Пьезоэлектрические материалы, кристаллические вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектричество), применяемые для изготовления электромеханических преобразователей: пьезоэлектрических резонаторов, пьезоэлектрических датчиков, излучателей и приёмников звука и др. Основными характеристиками Пьезоэлектрические материалы являются: 1) коэффициент электромеханической связи  , где d —  пьезомодуль, Е — модуль упругости, e — диэлектрическая проницаемость (в анизотропных Пьезоэлектрические материалы все эти и нижеследующие величины — тензорные); 2) величина k²Itgd, определяющая кпд преобразователя (d — угол диэлектрических потерь); 3) отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрического поля в нём; определяется величиной (dE)²; 4)  и  определяют чувствительность приёмника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах (с_зв — скорость звука в Пьезоэлектрические материалы). В табл. приведены характеристики некоторых наиболее распространённых Пьезоэлектрические материалы К Пьезоэлектрические материалы в зависимости от назначения предъявляются специальные требования: высокая механическая и электрическая прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т.д.
 

Основные характеристики наиболее распространенных пьезоэлектрических материалов при температуре 16—20 °С

		Плот- ность, r кг/м3	Ско- рость звука, Сзв, 103 м/сек	Диэлект- рическая проницаемость, e	Пьезо- модуль, d, 1012 к/н	Тангенс угла диэлект- рических потерь, tg d×102	Коэф- фициент электро- механи- ческой связи k	k2/tgd	Примеча- ние
Кварц		2,6	5,47(11)	4,5(11)	2,31(11)	< 0,5	0,095	>0,4	срез x
Дегидрофосфат аммония (АДР)		1,8	5,27(33)	21,8	24(36)/2	< 1	0,3	>8	срез 45°
Сульфат лития		2,05	4,7(33)	10,3(22)	18,3(22)	< 1	0,37	>10	относите- льно оси z
Сегнетова соль		1,77	3,9(22)	250(11)	172(14)/2	> 5	0,67	<13	срез у
Сульфонодид сурьмы		5,2	1,5(33)	1000(33)		5—10	0,8(33)	9	срез 45° относите- льно оси x; вещество при T > 55 °С распада- ется
Пьезокерамика	Титанат бария (ТБ—1)	5,3		1500		2—3			данные фирмы Кливайт (США)
	Титанат бария кальция ТБК—3)	5,4		1180		1,3; 4,0
	Группа цирконата — титаната свинца ЦТС—23	7, 4		1100		0,75—2,0
	ЦТБС—3	7,2		2300		1,2—2,0
	ЦТСНВ—1	7,3		2200		1,9—9,5
	PZT—5H	7,5		3400		2,0—3,0
	PZT—8	7,6		1000		0,4—0,7

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

Пьезоэлектрические материалы 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 поликристаллические сегнетоэлектрические твёрдые растворы, подвергнутые после синтеза поляризации в электрическом поле (пьезокерамика). Из Пьезоэлектрические материалы первой группы применяются лишь некоторые кристаллы, например кварц, обладающий большой температурной стабильностью свойств, механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и влагостойкостью. Недостатки — сравнительно слабый пьезоэффект, малые размеры кристаллов, трудность обработки. Используется главным образом в пьезоэлектрических фильтрах и стабилизаторах частоты (см. Кварцевый генератор); в лабораторной технике применяются кварцевые излучатели и приёмники ультразвука. Дигидрофосфат аммония — искусственно выращиваемый сегнетоэлектрический кристалл, химически стоек, до точки плавления (Т_пл = 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 механическая прочность, а также сильная зависимость свойств от температуры (из-за низких значений температуры Кюри и Т_пл = 55 °С) и напряжённости электрического поля ограничивают применение сегнетовой соли. Ниобат лития, силикоселенит и германоселенит наряду с сильно выраженным пьезоэффектом и высокой механической прочностью обладают высокой акустической добротностью и используются в области гиперзвуковых частот (см. Гиперзвук). Турмалин, гидрофосфат калия, сульфат лития и др. практически не используются. Наиболее распространённым промышленным Пьезоэлектрические материалы является пьезоэлектрическая керамика.
 

  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.