Физика/2. Физика твердого тела

М.н.с. Кузенко Д.В.

Научно-технологический центр “Реактивэлектрон” НАН Украины

Нелинейность свойств пьезокерамики ЦТС в переменных электрических полях.

Исследования поведения функциональных материалов в экстремальных электромеханических полях является одной из важнейших задач как теоретической, так и прикладной физики твердого тела. Интерес к изучению свойств пьезокерамических материалов (ПКМ) при повышенных постоянных и переменных напряженностях электрических полей интересен не только с точки зрения происходящих при этом физических процессов, но и широким практическим применением этих материалов – это различные датчики для АЭС, пьезодвигатели, пьезотрансформаторы, ультразвуковые излучатели, репеллентные устройства и т.д. Пьезоматериалы (ПМ) делятся на два класса: сегнетомягкие и сегнетожесткие:

Ø Сегнетомягкие пьезоматериалы (СМПМ) имеют низкие значения коэрцитивного поля Е_к, невысокую точку Кюри Т_К, увеличенную подвижность доменных стенок, более легкую переориентацию доменов в электрическом поле, повышенную податливость к воздействию сильных переменных электромеханических напряжений, низкую механическая добротность Q_m.

Ø Сегнетожесткие пьезоматериалы (СЖПМ) имеют повышенные значения Е_к, Q_m, Т_К. Обладают меньшей подвижностью доменных стенок.

Для возбуждения колебаний в пьезоэлементе к нему необходимо прикладывать переменное электрическое поле. В зависимости от назначения пьезоэлектрических преобразователей, эксплуатационный уровень возбуждающих напряжений может существенно отличаться от лабораторных (как правило, в 10-100 раз выше). Поведение сегнетомягкой (СМ) и сегнетожесткой (СЖ) керамики в постоянных и переменных полях различно. При воздействии постоянного электрического поля на поляризованную сегнетокерамику связь между пьезодеформацией и полем носит нелинейный характер, причем степень нелинейности связана со степенью сегнетотвердости материала: СМ керамика обнаруживают большую нелинейность, а с ростом степени сегнетотвердости нелинейность зависимости деформации от поля уменьшается. Однако при возбуждении ПЭ переменным полем резонансной частоты, влияние сегнетожесткости противоположно. При увеличении амплитуды возбуждающего поля происходит снижение механической добротности, частоты собственного резонанса, изменение формы АЧХ-кривой. Более линейными свойствами обладают сегнетомягкие (низкодобротные) материалы, а с ростом сегнетотвердости наблюдается снижение линейности свойств. В настоящее время существует две точки зрения на происходящие при этом процессы.

Причиной такого поведения, по мнения авторов работ [1,2] является особенности движения доменных границ. Снижение механической добротности обусловлено увеличением потерь подводимой энергии на вовлечение в процесс колебания все новых границ 90^о-ных доменов. Учитывая различие в закреплении доменных стенок в СМ и СЖ материалах, нелинейность первых будет проявляться в меньшей степени, чем для СЖ материалов. При этом для СМ-керамики характерна компенсация падения добротности ростом динамического пьезомодуля, чего для СЖ-керамики не наблюдается. Снижение частоты собственного резонанса при этом не объясняется. С другой стороны в работах [3,4] указана причина снижения резонансной частоты, но не объяснено снижение добротности. Снижение резонансной частоты обусловлено увеличением диэлектрической проницаемости пьезоэлемента вследствие разогрева ПЭ.

Исходя из этого, нами проведены измерения амплитудно-полевой зависимости механической добротности на резонансной частоте для сегнетомягких (ЦТССт-2, ЦТССт-2М, ЦТСтБС-3/1) и сегнетожестких (ЦТССт-3) пьезоматериалов. Установлено, что в одинаковых полях снижение механической добротности для сегнетомягких и сегнетожестких ПМ составляет соответственно 30% и 60% (рис.1 и 2). Тем самым подтверждена более высокая линейность сегнетомягких материалов по сравнению с сегнетожесткими. Снижение механической добротности обусловлено, по нашему мнению, ростом сопротивления пьезоэлемента, которое компенсирует снижение резонансной частоты при повышенном уровне возбуждающего напряжения резонансной частоты [5].

Литература:

1. С.В. Гавриляченко, Л.А. Резниченко. Пьезокерамика для частотно-селективных устройств. Ростов-на-Дону, 1999. 240с.

2. М.М. Пикалев, Э.М. Пикалев. Движение доменных и фазовых границ и его влияние на нелинейность электромеханических свойств сегнетоэлектриков.// Пьезокерамические материалы и преобразователи, 7, 40-46, 1988.

3. K. Umeda, K. Nakamura. Analysis of Jumping and Dropping of Piezoelectric Transducers using the Electrical Equivalent Circuit Constans of High Vibration Amplitude Levels. // Jpn. J. Appl. Phys., 39, 5623-5628, 2000.

4. S. Priya, D. Viehland. High-power resonant measurements of piezoelectric materials. Importance of elastic nonlinearities. // Journal of applied physics., 90/3, 1469-1479, 2001.

5. ОСТ 110444-87. Материалы пьезокерамические. Технические условия.