Материалы для пьезоэлектрических преобразователей

Из огромнейшего числа пьезоматериалов лишь немногие нашли промышленное применение. Основные причины – слабый пьезоэффект, малая механическая прочность. Из монокристаллов наиболее известен кварц. В технологических преобразованиях почти не применяется из-за малого пьезоэффекта, и возрастания электрических напряжений, необходимых для реализации пьезоэффекта, ограничены размеры монокристалла. Для технологических целей наибольшее распространение получили преобразователи на основе пьезокерамики. Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с общей формулой АВО₃ (например, титанат бария BaTiO₃). Изготавливают пьезокерамику подобно обычной керамике горячим прессованием или литьем под давлением. Далее ее поляризуют в постоянном электричеком поле с величиной напряжения 0.5-3.0 кВ/м, при одновременном нагревании для увеличения подвижности доменов. Пьезокерамике свойственно старение, то есть изменение ее параметров со временем.

Основные преимущества пьезокерамики:

Высокий пьезомодуль, высокая диэлектрическая проницаемость, сравнительно высокие значения электрической и механической прочности. Доступность и дешевизна сырья. Возможность изготавливать пьезоэлементы различной формы и размеров: цилиндры, пластины, части сферы, кольца и т.д.

Преобразователи из пьезокерамики имеют сравнительно низкое входное сопротивление, поэтому для ее возбуждения требуется сравнительно малые электрические напряжения.

Основными параметрами и характеристиками пьезокерамик, определяющими их использование в технологических преобразователях, являются: пьезомодуль d₃₃, диэлектрическая проницаемость ε, модуль Юнга Е, тангенс диэлектрических потерь tg δ и коэффициенты определяющие зависимость этих параметров от температуры.

Для изготовления технологических пьезоэлектрических преобразователей в настоящее время наиболее широко используется пьезокерамика на основе твердых растворов титаната свинца и цирконата свинца – сокращенно ЦТС.

По сравнению с титанатом бария керамика ЦТС имеет более высокую точку Кюри (330 ⁰С), большие пьезомодули (в несколько раз), меньшие диэлектрические потери в сильных электрических полях, большую удельную электрическую мощность и механическую прочность.

Пьезокерамика ЦТС делится на классы:

1. Керамика для изготовления высокочувствительных элементов, работающих в режиме приема или излучения (ЦТС-19);

2. Керамика для изготовления пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения в условиях сильных электрических полей и напряжений (ЦТС-23, ЦТС-24);

3. Керамика для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной пьезоэлементов стабильностью частотных характеристик в заданном интервале температур и времени (ЦТС-22).

В зависимости от интервала рабочих температур пьезокерамика делится на категории:

I. От -60 до +60 ⁰С

II. От -60 до +85 ⁰С

III. От -60 до +150 ⁰С

IV. От -60 до +200 ⁰С

V. От -60 до +250 ⁰С

VI. От -60 до +300 ⁰С