Пьезоэлектрическая керамика: производство, свойства и применение

Пьезоэлектрическая керамика представляет собой особый класс электронных керамических материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. В отличие от типичных пьезоэлектрических кристаллов кварца, не содержащих ферроэлектрических компонентов, основу этих материалов составляют ферроэлектрические кристаллические зерна.

Особенности структуры

Керамика является поликристаллическим агрегатом со случайной ориентацией зерен. Каждое ферроэлектрическое зерно имеет собственный вектор спонтанной поляризации. Для проявления макроскопических пьезоэлектрических свойств требуется специальная обработка — процесс поляризации:

• Нанесение электродов на торцевые поверхности
• Воздействие сильного постоянного электрического поля
• Ориентация векторов поляризации вдоль направления поля
• После снятия поля сохраняется остаточная поляризация
• Материал приобретает пьезоэлектрические свойства

1. История развития пьезоэлектрической керамики

• 1880 — Братья Кюри открыли пьезоэффект в турмалине, положив начало пьезоэлектрической науке.
• 1881 — Экспериментальное подтверждение обратного пьезоэффекта, установление равенства пьезоэлектрических постоянных для кварца.
• 1894 — Фойгт теоретически обосновал, что пьезоэффект возможен только в 20 классах кристаллов без центра симметрии.
• Первая мировая война — Ланжевен создал первый ультразвуковой подводный зонд для обнаружения субмарин.
• Вторая мировая война — Открытие керамики BaTiO₃, революционный прорыв в пьезоматериалах.
• 1946 — Массачусетский технологический институт разработал технологию поляризации титаната бария, что привело к созданию пьезокерамики.
• 1947 — Робертс (США) получил пьезоэлектрические свойства BaTiO₃ путем поляризации. Япония начала активно разрабатывать ультразвуковые преобразователи и датчики давления.
• 1955 — Открытие превосходных пьезоэлектрических свойств PZT-керамики (цирконат-титанат свинца), что значительно расширило область применения пьезоустройств.
• Конец 1970-х — Появление новых устройств на основе пьезокерамики: фильтров ПАВ, линий задержки и генераторов.

2. Основные этапы производства пьезокерамики

Современное производство пьезокерамики, по технологии компаний HE-SHUAI, состоит из следующих ключевых этапов:

2.1. Дозирование компонентов

Перед обработкой сырья удаляются все примеси. Компоненты взвешиваются строго по рецептурной пропорции. Малые добавки следует размещать в центре основной массы материала.

2.2. Первичный помол и смешивание

Цель: достижение однородности смеси для последующего обжига. Применяются методы:

• Сухое измельчение (для малых партий)
• Мокрый помол (шаровые или струйные мельницы для крупных объемов)

2.3. Предварительный обжиг

Ключевой этап для проведения твердофазной реакции синтеза пьезокерамики. Параметры обжига напрямую влияют на условия последующего спекания и конечные характеристики изделия.

2.4. Вторичный тонкий помол

Обеспечивает дополнительное измельчение предварительно обожженного порошка, повышение однородности состава и стабильность свойств готовой керамики.

2.5. Гранулирование

Формирование плотных, сыпучих гранул. Методы:

• Ручной (низкая производительность)
• Распылительная грануляция (высокоэффективный промышленный метод)

На этом этапе добавляются связующие компоненты.

2.6. Формование

Прессование гранулированного материала в заготовки требуемой формы.

2.7. Удаление связующего

Выделение и удаление пластификаторов, добавленных при гранулировании.

2.8. Спекание

Высокотемпературный процесс получения плотной керамики. Критически важный этап, определяющий микроструктуру материала, механические и пьезоэлектрические характеристики.

2.9. Механическая обработка

Шлифовка и доводка изделий до требуемых размеров и формы.

2.10. Нанесение электродов

Методы формирования проводящих слоев:

• Вжигание серебряной пасты
• Химическое осаждение
• Вакуумное напыление

2.11. Поляризация высоким напряжением

Ключевой этап для создания пьезоэффекта. Параметры:

• Напряженность поля: 3-5 кВ/мм
• Температура: 100-150°C
• Время: 5-20 минут

2.12. Тестирование

Контроль стабильности характеристик и соответствия техническим требованиям.

Особенности пьезокерамики: Пьезоэффект создается поляризацией в постоянном электрическом поле. Лучшие образцы (например, цирконат-титанат свинца) имеют коэффициент электромеханической связи 0,313-0,694. Технология позволяет получать материалы с воспроизводимыми характеристиками.

Данный производственный процесс обеспечивает получение высококачественных пьезокерамических материалов для различных применений в электронике, датчиках и исполнительных устройствах.

3. Физический механизм пьезоэлектрических свойств

Поляризованная пьезокерамика имеет связанные заряды на обоих концах, что приводит к адсорбции свободных зарядов с внешней стороны на поверхности электродов. При приложении внешнего давления F к керамической пластине происходит разряд на её концах. Напротив, приложение заряда вызывает зарядку. Явление преобразования механического воздействия в электрический эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Кроме того, пьезокерамика обладает свойством спонтанной поляризации, которая может изменяться под действием внешнего электрического поля. Поэтому при приложении внешнего электрического поля к пьезоэлектрическому диэлектрику происходит изменение, и пьезокерамика деформируется. Причина деформации заключается в том, что приложение поля, совпадающего по направлению со спонтанной поляризацией, усиливает поляризацию. Это увеличение поляризации приводит к удлинению пьезокерамической пластины в направлении поляризации. Напротив, приложение противоположного электрического поля вызывает сокращение пластины в направлении поляризации. Это явление преобразования электрического воздействия в механический эффект называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

4. Дополнительные свойства пьезоэлектрической керамики

Пьезоэлектрическая керамика обладает высокой чувствительностью, позволяя преобразовывать даже крайне слабые механические колебания в электрические сигналы. Это свойство находит применение в гидролокаторах, метеорологических исследованиях, телеметрии, экологическом мониторинге и бытовой технике. Благодаря своей чувствительности к внешним воздействиям, пьезокерамика способна улавливать возмущения воздуха от взмахов крыльев насекомых на расстоянии более десяти метров. Применяя её в пьезоэлектрических сейсмографах, можно точно измерять интенсивность землетрясений, а также определять направление и расстояние до эпицентра.

Под действием электрического поля пьезокерамика подвергается незначительной деформации, не превышающей одной десятимиллионной доли от её размера. Однако на основе данного принципа работают прецизионные управляющие механизмы, такие как пьезоэлектрические актюаторы, которые находят применение в управлении точными приборами, микроэлектронике и биоинженерии.

Резонаторы, фильтры и другие устройства управления частотой являются ключевыми элементами, определяющими производительность систем связи. В этой области пьезоэлектрическая керамика обладает явными преимуществами:

• Высокая стабильность частоты
• Точность измерений
• Широкий рабочий диапазон
• Компактные размеры
• Влагостойкость
• Долгий срок службы

Кроме того, она улучшает помехоустойчивость оборудования, особенно в многоканальных системах связи.

4.1. Принцип работы на примере амортизационного контроллера

Рассмотрим новый тип амортизационного контроллера для велосипедов ACX. Благодаря использованию пьезоэлектрических материалов, он реализует функцию плавно регулируемого демпфирования.

Как это работает?

• Датчик отслеживает движение ударного поршня с частотой 50 раз в секунду.
• Если поршень движется быстро, это указывает на неровную поверхность, и система активирует максимальное демпфирование.
• Если движение медленное, дорога ровная, и требуется лишь слабое гашение колебаний.

Ключевая особенность пьезокерамики — это материал для преобразования энергии:

• Сила → электричество → сила (прямой и обратный пьезоэффект): Примеры: пьезоподжиг, датчики веса.
• Электричество → сила → деформация → вибрация/акустика: Примеры: ультразвуковые излучатели, электроакустические устройства.
• Деформация → смещение → электрический сигнал: Примеры: пьезотрансформаторы, датчики перемещения.

Будущее развитие: Основные сырьевые компоненты пьезокерамики (например, свинец) токсичны, поэтому ключевыми направлениями исследований являются бессвинцовая пьезокерамика и низкотемпературная пьезокерамика.

5. Основные области применения

5.1. Звуковые преобразователи

Одно из самых распространённых применений пьезокерамики — устройства для генерации и приёма звука: звукосниматели, микрофоны, наушники, пьезопищалки, ультразвуковые датчики.

Принцип работы: Пьезокерамика преобразует электрические сигналы в механические колебания (и наоборот). Например, в электронных музыкальных открытках переменный аудиосигнал превращается в звук благодаря обратному пьезоэффекту.

5.2. Пьезоэлектрические детонаторы

В головной части кумулятивного снаряда установлена пьезокерамика, которая преобразует механический удар о броню в высоковольтный импульс. Искра подрывает заряд, уничтожая цель.

5.3. Пьезозажигалки

При нажатии кнопки возникает напряжение >10 000 В, создающее искру. Преимущества: безопасность, долговечность (до 1 млн срабатываний), надёжность.

5.4. Ядерные защитные очки

Для военных и испытателей созданы очки с прозрачной пьезокерамикой. При вспышке ядерного взрыва материал мгновенно затемняется (за 1/1000 сек), ослабляя световой поток в 10 000 раз.

5.5. Ультразвуковые преобразователи

Применяются в ультразвуковой сварке, очистке поверхностей и медицинской диагностике. Преобразуют электрическую энергию в механические ультразвуковые колебания с высоким КПД (до 90%).

5.6. Гидролокаторы (сонары)

Пьезокерамический излучатель генерирует ультразвуковой импульс для обнаружения подводных объектов. Электромагнитные волны в воде затухают, а ультразвук — нет, что обеспечивает высокую точность определения координат цели.

6. Перспективы развития

Несмотря на токсичность свинца в составе, ведутся интенсивные исследовательские работы по созданию новых поколений материалов. Ключевыми направлениями являются:

• Экологичные бессвинцовые аналоги (например, на основе ниобата калия или натрия, составов системы (K,Na)NbO₃) с сопоставимыми пьезоэлектрическими характеристиками.
• Низкотемпературные композиции для микроэлектроники, позволяющие интегрировать пьезоэлементы в кремниевые чипы и многослойные структуры без повреждения уже нанесенных компонентов.
• Гибридные и композитные материалы, сочетающие полимерную матрицу с пьезокерамическими частицами для создания гибких и прочных датчиков и энергогарвестеров.