кристаллические вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см.
Пьезоэлектричество), применяемые для изготовления электромеханических преобразователей: пьезоэлектрических резонаторов, пьезоэлектрических датчиков (См.
Пьезоэлектрический датчик), излучателей и приёмников звука и др. Основными характеристиками П. м. являются: 1) коэффициент электромеханической связи
, где
d - пьезомодуль,
Е -
модуль упругости, ε -
Диэлектрическая проницаемость (в анизотропных П. м. все эти и нижеследующие величины - тензорные); 2) величина
k2Itgδ, определяющая кпд преобразователя (δ - 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
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| | Плот- | Ско- | Диэлект- | Пьезо- | Тангенс | Коэф- | k2/tgδ | Примеча- |
| | ность, | рость | рическая | модуль, | угла | фициент | | ние |
| | ρ кг/м3 | звука, | проницаемость, | d, 1012 | диэлект- | электро- | | |
| | | Сзв, | ε | к/н | рических | механи- | | |
| | | 103 | | | потерь, | ческой | | |
| | | м/сек | | | tg δ․102 | связи k | | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кварц | 2,6 | 5,47(11) | 4,5(11) | 2,31(11) | < 0,5 | 0,095 | >0,4 | срез x |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Дегидрофосфат аммония | 1,8 | 5,27(33) | 21,8 | 24(36)/2 | < 1 | 0,3 | >8 | срез 45° |
| (АДР) | | | | | | | | |
|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 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
| 5,3
| | 1500
| | 2-3
| | | данные
|
| | бария | | | | | | | | фирмы |
| | (ТБ-1) | | | | | | | | Кливайт |
| |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| (США) |
| | Титанат
| 5,4
| | 1180
| | 1,3;
4,0
| | | |
| | бария | | | | | | | | |
| | кальция | | | | | | | | |
| | ТБК-3) | | | | | | | | |
| |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | Группа
| 7,
4
| | 1100
| | 0,75-
| | | |
| | цирконата | | | | | 2,0 | | | |
| | - | | | | | | | | |
| | титаната | | | | | | | | |
| | свинца | | | | | | | | |
| | ЦТС-23 | | | | | | | | |
| |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | ЦТБС-3
| 7,2
| | 2300
| | 1,2-2,0
| | | |
| |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | ЦТСНВ-
| 7,3
| | 2200
| | 1,9-9,5
| | | |
| | 1 | | | | | | | | |
| |-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |
| | 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 tgδ для кристаллов даны для поля < 0,05
кв/
см; для пьезокерамики tgδ 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.