Какой природный минерал обладает пьезоэлектрическими свойствами

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

 Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Давайте сравним искусственно полученный цирконат-титанат свинца ЦТС и природный элемент кварц. Итак, ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.

ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3. Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств. Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO3.

Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO3. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическим керамическим материалом.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

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 П. м. являются: 1) коэффициент электромеханической связи  , где d —  пьезомодуль, Е —модуль упругости, e — диэлектрическая проницаемость (в анизотропных П. м. 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 (сзв — скорость звука в П. м.). В табл. приведены характеристики некоторых наиболее распространённых П. м. К П. м. 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

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.

  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 поликристаллические сегнетоэлектрические твёрдые растворы, подвергнутые после синтеза поляризации в электрическом поле (пьезокерамика). Из П. м. 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 (Тпл = 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 Тпл = 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 П. м. 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.

Оглавление

– вещества (диэлектрики, полупроводники), обладающие хорошо выраженными пьезоэлектрич. свойствами (см. Пьезоэлектрики).

Пьезоэлектрич. кристаллы распространены в природе в виде естеств. минералов (кварц, турмалин, цинковая обманка и др.), большинство практически важных П. м. синтезируют (сегнетова соль, ниобат лития, пьезокерамика, пьезополимеры).

П. м. используются для изготовления пьезоэлектрических преобразователей разл. назначения: в гидролокации, УЗ-технике (см. Ультразвук), акустоэлектро-нике, точной механике и др. Для изготовления пьезо-элемента выбирают П. м., сопоставляя их параметры и характеристики, к-рые определяют эффективность и стабильность работы пьезоэлектрич. преобразователя с учётом его назначения и условий эксплуатации. П. м. характеризуются след. величинами (табл.): матрицами пьезомодулей d и относительной диэлект-рич. проницаемости es, коэф. упругой податливости SE, скоростью распространения звуковых волн с, тангенсом угла диэлектрич. потерь tgd, механич. добротностью Qm, плотностью r, предельно допустимой темп-рой q (темп-pa Кюри для сегнетоэлектриков). Во мн. случаях оценивать П. м. удобнее след. параметрами: 1) коэф. эл.-механич. связи Kik (для квазистатич. режима, когда длина звуковой волны существенно превосходит размеры пьезоэлемента):

где e0=8,85·10-12 Ф/м – диэлектрич. постоянная вакуума; 2) величиной важной для излучателей звука; 3) величиной , к-рая входит в выражение эл.-механич. кпд преобразователей; 4) отношением характеризующим чувствительность приёмника звука в режиме холостого хода; 5) величиной определяющей мин. сигнал, к-рый может быть принят приёмником на фоне электрич. шумов схемы; 6) механич. добротностью Qm, определяющей акустомеханич. кпд излучателя при заданной нагрузке, полосу частот пропускания эл.-механич. фильтров, качество линий задержки.

Большое значение для мощных излучателей звука имеют предельно допустимое механич. напряжение, к-рое зависит от механич. прочности материала, стабильность свойств относительно разогрева, а также нелинейность свойств, при к-рой происходит перекачка энергии в высшие гармоники и уменьшение эффективности (кпд) на осн. частоте (рис. 1 и 2).

Примечание. Значения всех констант даны для темп-ры 16-20° С. Цифры в скобках у монокристаллов определяют индексы соответствующих тензорных характеристик, напр. (И) означает с 11, e11, d11, (36/2)-1/2d36 и т. д. Для пьезокерамики верх. значения (над чертой) для с и S имеют индексы (11), а для d и К-индекс (31); ниж. значения (под чертой) констант имеют индекс (33). Величины d31<0; d33>0. Значения tgd для кристаллов даны при напряжённости поля E<0,05 кВ/см; для пьезокерамики tgd даётся в интервале 0,05<Е<2 кВ/см; dv -объёмный пьезомодуль.

Кристаллы кварца, несмотря на их сравнительно слабые пьезоэлектрич. свойства, применяются в тех случаях, когда требуются высокая механич. добротность и стабильность по отношению к изменению темп-ры (напр., в эл.-механич. фильтрах и различных стабилизирующих устройствах). Кристаллы ADP, сульфата лития и сегнетовой соли, как П. м. для излучателей и приёмников звука, вытеснены пьезокерами-кой ввиду её высокой пьезоэлектрич. эффективности, стабильности и технологичности. Сегнетополупроводник сульфоиодид сурьмы и выполненный на его основе материал ХГС-2 перспективны для гидроакустич. приёмников звука.

Рис. 1. Зависимость тангенса диэлектрических потерь от эффективного значения возбуждающего электрического поля для различных типов пьезокерамики.

Рис. 2. Зависимость механической добротности (относительной) от амплитуды механического напряжения для различных типов пьезокерамики.

Свойства пьезокерамики, особенно у составов типа ЦТС, с изменением темп-ры варьируют незначительно. Изменение резонансной частоты в интервале темп-р 30-40°С достигает 1,5-2,0% (у сегнетовой соли до 40%), пьезомодуля и диэлектрич. проницаемости – 10-20%. Зависимость параметров пьезокерамики от всестороннего сжатия слаба, однако при действии одностороннего сжатия (108 Н/м 2) вдоль оси спонтанной поляризации изменение (уменьшение) пьезомодулей может достигать 30-70%, а увеличение диэлектрич. проницаемости от 5 до 60%.

Кристаллы ниобата лития, танталата лития, германа-та свинца применяются в УЗ-технике в области СВЧ-диапазона (вплоть до ГГц) и в акустоэлектронике благодаря чрезвычайно малому затуханию в них акустич. волн, как объёмных и сдвиговых, так и поверхностных. Они используются в акустооптике. Для пьезополу-проводниковых преобразователей в линиях задержки и др. устройствах акустоэлектроники используются сульфид кадмия, оксид цинка, арсенид галлия и др. пьезополупроводники.

К пьезополимерам относят как поливинилиденфторид (ПВДФ) и сополимеры на его основе, так и пьезоэлек-трич. композиционные материалы (пьезокомпозиты). Материалы на основе ПВДФ выпускаются в виде плёнок толщиной от 10 мкм до 1 мм и более, металлизован-ных и поляризованных по толщине. Пьезокомпозит может иметь структуру в виде пористого каркаса пьезокерамики, пропитанного полимером, или чаще в виде частиц пьезокерамики (порошка, тонких стерженьков), распределённых в полимере. П. м. на основе полимеров обладают высокой пьезоэлектрич. эффективностью, эластичностью и рядом технол. преимуществ.

Пьезоэффект в полимерах возникает в результате неоднородного распределения зарядов, при статич. электризации, полимеризации и др. (тип I), а также вследствие ориентации диполей в полярных полимерах при механич. деформировании (тип II), в биополимерах (тип III), при поляризации в электрич. поле (тип IV, электреты), в результате спонтанной поляризации в таких высокополярных поликристаллич. полимерах (тип V), как, напр., ПВДФ, полиамиды, сегнетоэлектрич. стёкла и др.

В полимерах типа I и II пьезоэлектрич. коэф. d обычно невелики [d33 =(0,1-0,5)·10-12 Кл·Н -1]; в материалах типа III и IV они достигают более высоких значений [до d33 = (1- 2)·10-12 Кл·Н -1]; в материалах типа V -[до d33= 40·10-12 Кл·Н -1].

Среди пьезокомпозитов наиб. распространены материалы на основе порошка титаната свинца, распределённого в полимере, из-за значит. величины объёмного пьезомодуля (dV =30·10-12 Кл/Н) при достаточно простой технологии изготовления.

Лит.: Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966; Смажевская Е. Г., Фельдман Н. Б., Пьезоэлектрическая керамика, пер. с англ., М., 1971; Ультразвуковые преобразователи, пер. с англ., М., 1972; Яффе Б., Кук У., Яффе Г., Пьезоэлектрическая керамика, пер. с англ., М., 1974; Newnham R. Е. и др., Connectivity and piezoelectric – pyroelectric composites, “Mat. Res. Bull.”, 1978, т. 13, № 5, p. 525; Powers J. M., An emerging hydrophone technology, “JEEE Trans. Eas con’s”, 1979, v. 27 CH; Tiny R. Y., Evaluation of new piezoelectrik composites for hydrophone, “Ferroelectrics”, 1986, v. 67; Monroe D.-L., Blum J. В., Safari A., Sol-gel derived PbTiO3 – polymer piezoelectric composites, “Ferroelectrics. Lett. section”, 1986, v. 5, p. 39. P. Е. Пасынков.