Файл: Соломоник И.Ш. Производство керамических деталей радиоаппаратуры.pdf

пьезоэлектрические свойства титаната бария В а Т і 0 3 были выявлены и детально описаны в работах А. В. Ржанова (1949 г.). Он впервые обнаружил прямой и обратный пьезоэффекты у предварительно поляризованной титанат-бариевой сегнетокерамики.

Температурный диапазон использования пьезокерамики ограничивается точкой Кюри, выше которой происходят струк­ турные преобразования вещества и нарушается искусственно созданная поляризация материала. Поэтому дальнейшие на­ учные работы велись в направлении поиска пьезокерамических соединений с высокими значениями точки Кюри.

Хорошие результаты были получены Г. А. Смоленским при изучении ниобатов бария-свинца (PbBa)Nb2 06 в различных модификациях. Были освоены в промышленных масштабах ниобатные материалы типа КНБС с высокими значениями пьезоэффекта и стабильными температурными характеристи­ ками (например, соединения [Pbo,53Ba0,47]Nb206; [РЬ0 ) 57Ва0 ,4з] • •Nb2 06j [Pb0 ,6oBao,4o]Nb2 06 и др.). Практический выход дали исследования над твердым раствором цирконата свинца PbZr0 3 и титаната свинца PbTi03 системой Pb(ZrTi)0 3 типа ЦТС. В этих материалах выявились также хорошие пьезо­ электрические свойства в сочетании с высокими значениями точки Кюри.

а. Ф и з и ч е с к и е п р е д п о с ы л к и п р о и з в о д с т в а п ь е з о к е р а м и ч е с к их м а т е р и а л о в

Преимущество синтезированных пьезокерамических мате­ риалов перед натуральными кристаллами кварца и турмалина в сравнительной дешевизне исходных веществ и в малых про­ изводственных отходах компонентов сырья, в возможностях получения большего разнообразия геометрических форм пьезоизделий, в широком диапазоне механических и электричес­ ких свойств, в температурной стабильности параметров и в высоких значениях пьезоэффекта. Кроме того, к достоинст­ вам пьезокерамики следует отнести сравнительную простоту осуществления направленной поляризации материала с по­ мощью внешнего электрического поля. Благодаря этому не нужны операции поиска оптических, электрических и меха­ нических осей в кристаллах натурального сырья и исключа­ ются трудоемкие операции выпиливания заготовок по срезам, оптимальным для каждого вида колебаний.

Физическая картина явлений, происходящих при поляри­ зации пьезокерамических материалов, с некоторым прибли­ жением может быть объяснена на структурной модели моле­ кулы титаната бария В а 2 + Т і 4 + 0 3 2 ~ (рис. 4-13). В этой элемен­ тарной симметричной ячейке ионы бария размещаются по уг­ лам куба, ионы кислорода — в центрах шести граней, а ион

титана — в центре куба. Элементарная ячейка такой струк­ туры электрически нейтральна, так как все заряды располо­ жены симметрично. Если под влиянием внешнего электриче­ ского поля ион титана или кислорода сместить в сторону иона бария, то в элементарной ячейке создается дипольный мо­ мент в соответствующем направлении. При одностороннем смещении ионов во всех ячейках возникает суммарная поля­

Р и с . 4-13

ризация твердого тела. Подсчитано, что для этого достаточно сместить ион Ті всего на ОД А°.

Экспериментальными исследованиями процессов поляри­ зации были выявлены эффекты электрического насыщения

зация совпадает с кристаллографическим направлением. Сум­ марная поляризация массивного твердого тела представляет собой векторную сумму поляризаций всех доменов, причем вклад каждого домена пропорционален его массе, так как в

пределах каждого домена электрические моменты элементар­ ных ячеек направлены одинаково. Если твердое тело не под­ вергалось действию внешнего электрического поля, то общий момент равнялся нулю (рис. 4-15). Энергия связи между от­ дельными частицами вещества достаточно велика и тепловые^ возмущения при нормальных температурах не разрушают ус-* тановившуюся структуру доменов. Под воздействием достаточ­ но сильного внешнего электрического поля можно переориен­ тировать частную поляризацию доменов и вызвать появление общей, отличной от нуля поляризации, остающейся после

из-за разности электродных потен­ циалов пройдет ток, пропорциональный внешнему механиче­

скому усилию. Поляризованная керамика приобретает пьезо­

При растяжении поляризованного сегнетокерамического образца происходят аналогичные явления, только поверхно­ сти граней приобретают обратные некомпенсированные за­ ряды и, следовательно, образуется разность потенциалов про­ тивоположного знака. При знакопеременном давлении в зам­ кнутой цепи возникнет переменный ток, величина которого также пропорциональна внешней механической нагрузке.

Созданная искусственным путем поляризация сохраняется

мому, при температурах выше точки Кюри сильное тепловое

ряет пьезоэлектрические свойства.

В первые 2ч-3 дня после окончания процесса поляриза­ ции происходит реорганизация доменов, и величина пьезомодуля уменьшается на 15-^30%, после чего остается почти неизменной. В целях стабилизации свойств пьезокерамичес-

греваются до 100н-150°С и затем медленно охлаждаются до

б.П р и м е н е н и е п ь е з о к е р а м и к и

вр а д и о а п п а р а т у р е

Синтез пьезокерамических материалов с большой времен­

мического элемента зависит от свойств материала и геомет­ рических размеров резонатора. Так, резонатор, выполненный в виде тонкого диска, имеет собственную частоту колебаний, примерно равную