Кристаллическая структура пьезокерамики и её влияние на функциональные свойства
Кристаллическая структура является фундаментальным фактором, напрямую определяющим пьезоэлектрические, диэлектрические и сегнетоэлектрические свойства керамических материалов. В промышленности наиболее широко применяются материалы с перовскитной структурой, в то время как соединения со структурой вольфрамовой бронзы и слоистые висмутовые соединения находят более специализированное, но критически важное применение.
1. Основные типы кристаллических структур пьезокерамики
1.1. Перовскитная структура (ABO₃)
Это наиболее изученный и технологически освоенный тип структуры. Керамики на основе перовскита характеризуются комплексом выдающихся свойств:
- Высокая диэлектрическая проницаемость
- Сильный пьезоэлектрический эффект
- Хорошая ионная проводимость
- Широкая возможность модификации свойств легированием
Благодаря этому они нашли широчайшее применение в электронной промышленности. Типичные примеры: титанат бария (BaTiO₃), титанат свинца (PbTiO₃) и цирконат-титанат свинца (PZT).
1.2. Структура вольфрамовой бронзы
Материалы с данной структурой обладают следующими характеристиками:
- Низкие диэлектрические потери
- Высокая температура Кюри
- Большая спонтанная поляризация
Недостатки: высокая температура синтеза, технологическая сложность получения и ограниченное применение из-за проблем с температурной стабильностью некоторых параметров.
1.3. Слоистая висмутовая структура (Aurivillius Phases)
Данный класс соединений обладает уникальными особенностями:
- Выраженная анизотропия физических свойств
- Высокая механическая добротность (Qm)
- Очень высокая температура Кюри
- Отличная стабильность резонансной частоты
Основная область применения: ВЧ-фильтры, резонаторы, устройства для преобразования энергии. Главный недостаток — высокое коэрцитивное поле, затрудняющее процесс поляризации.
1.4. Пирохлорная структура
Представлена ограниченным числом соединений, таких как Cd₂Nb₂O₇ и Pb₂Nb₂O₇. Их структура состоит из октаэдров {NbO₆/TaO₆}, соединённых вершинами, с катионами Cd²⁺/Pb²⁺, расположенными в промежуточных позициях.
2. Классификация пьезокерамики по химическому составу
2.1. Однокомпонентные системы
- Титанат бария (BaTiO₃): Классический сегнетоэлектрик с перовскитной решёткой, первый открытый керамический пьезоэлектрик.
- Титанат свинца (PbTiO₃): Ферроэлектрик с perovskite-структурой и высокой температурой Кюри.
2.2. Двухкомпонентные системы (PZT)
Твердые растворы на основе цирконата-титаната свинца (Pb(Zr,Ti)O₃) являются основой современной пьезоэлектроники. Наибольшая пьезоактивность наблюдается вблизи морфотропной фазовой границы (МФГ) при соотношении Zr/Ti ≈ 53/47. Данная система позволяет гибко получать материалы с заданными свойствами путём модификации различными добавками.
2.3. Трехкомпонентные системы
Образуются путём добавления третьего соединения к основе PZT. Сохраняя перовскитную структуру, они позволяют существенно расширить диапазон эксплуатационных характеристик: повысить температуру Кюри, пьезомодуль или стабильность параметров.
3. Заключение
Кристаллическая структура является определяющим фактором функциональных свойств пьезокерамики. Выбор типа структуры (перовскит, вольфрамовая бронза, слоистый висмут) и последующая точная модификация химического состава позволяют целенаправленно создавать материалы с оптимальными характеристиками для конкретных применений: от ВЧ-фильтров и датчиков до мощных актуаторов и преобразователей энергии. Компания HE-SHUAI производит все основные типы пьезокерамических материалов с оптимизированными и стабильными характеристиками.
