Связь кристаллической структуры и пьезоэлектрических свойств керамики

Пьезокерамика — это материал, чьи электрические отклики напрямую зависят от внутреннего устройства кристаллической решётки. Чёткой зависимости всего два ключевых параметра: тип структуры и состав. На сегодняшний день самая распространённая в промышленности — керамика с перовскитной структурой. Реже применяются материалы с тунгельбронзовой и висмутслоистой структурой.

Перовскитная структура: основа современной пьезокерамики

Керамика с перовскитной структурой — самая изученная и востребованная. Её ключевая особенность — электрическая активность, обусловленная наличием ионных вакансий. Именно они обеспечивают:

• высокую ионную проводимость;
• большую диэлектрическую проницаемость;
• выраженный пьезоэффект.

Благодаря этому такие материалы широко применяются в электронной промышленности — от генераторов до высокоточных датчиков.

Тунгельбронзовая структура (ниобаты)

Керамика с тунгельбронзовой структурой (структурой «бронзового вольфрама») обладает низкими диэлектрическими потерями, высокой спонтанной поляризацией и высокой температурой Кюри. Однако у неё есть существенные минусы:

• высокая температура спекания;
• сложность изготовления;
• нестабильность свойств при изменении температуры.

Именно поэтому тунгельбронзовые пьезоматериалы применяются ограниченно, несмотря на их уникальные электрофизические параметры.

Висмутслоистая структура: термостабильность и анизотропия

Материалы с висмутслоистой структурой выделяются на фоне остальных. Их ключевые характеристики:

• резко выраженная электрическая анизотропия;
• высокий механический фактор качества;
• высокая температура Кюри;
• низкая относительная диэлектрическая проницаемость;
• высокое удельное сопротивление;
• высокая электрическая прочность (диэлектрическая прочность);
• отличная стабильность резонансной частоты во времени и при нагреве.

Благодаря этому они востребованы в фильтрах, устройствах преобразования энергии, высокотемпературной и высокочастотной аппаратуре. Главный недостаток — сложность поляризации и сравнительно низкая пьезоактивность.

Какие бывают кристаллические структуры у пьезокерамики?

На практике вся промышленная пьезокерамика делится на четыре основных типа структур.

1. Перовскитная структура (тип ABO₃)

Это структура типа «октаэдры ABO₃», где:

• A — одновалентный или двухвалентный ион металла;
• B — четырёх- или пятивалентный металл.

Примеры материалов:

• титанат бария,
• титанат свинца,
• цирконат свинца,
• KₓNa₁₋ₓNbO₃ (ниобат калия-натрия).

2. Тунгельбронзовая структура

Тоже относится к типу ABO₃, но с иным упаковкой октаэдров. Примеры:

• ниобат свинца,
• ниобат стронция-бария.

3. Висмутслоистая структура

Представляет собой чередование слоёв, подобных перовскитным, и слоёв {Bi₂O₁₂}. Количество перовскитоподобных слоёв может быть от одного до пяти:

• один слой (например, Bi₂WO₆);
• два слоя (PbBi₂Nb₃O₉);
• три слоя (Bi₄Ti₈O₁₂);
• до пяти слоёв.

4. Пирохлорная структура

Построена из октаэдров {NbO₆ или TaO₆}, а более крупные ионы Cd²⁺ (или Pb²⁺) располагаются в промежутках. Сегнетоэлектрики с такой структурой встречаются редко, примеры:

• Cd₂Nb₂O₇,
• Pb₂Nb₂O₇,
• Cd₂Ta₂O₇.

Классификация пьезокерамики по составу

Помимо типа структуры, материалы делят по количеству основных компонентов.

1. Однофазные (моно-) системы

Практически все представлены перовскитной структурой BaTiO₃ и кальций-бронзовой структурой PbNbO₆.

Титанат бариевая керамика

Типичный представитель сегнетокерамики с перовскитной решёткой.

Титанат свинцовая керамика

Также имеет перовскитную структуру, относится к сегнетокерамике.

2. Двухкомпонентные (бинарные) системы

Это твёрдые растворы двух соединений с общей формулой ABO₃. Пример: PbZrₓTi₁₋ₓO₃.

Цирконат-титанат свинца (ЦТС, PZT)

Наиболее массовая пьезокерамика. Представляет собой твёрдый раствор PbZrO₃ и PbTiO₃ с перовскитной структурой. Максимальная пьезоактивность достигается при соотношении циркония и титана около 53:47 (вблизи морфотропной границы).

3. Трёхкомпонентные (тройные) системы

Формируются добавлением третьего соединения (также ABO₃) к бинарной системе PbZrO₃–PbTiO₃. Важное условие — при растворении общая перовскитная решётка не разрушается. Это позволяет гибко менять свойства под конкретные задачи.

Вывод

Пьезокерамика может иметь разные кристаллические структуры: перовскитную, тунгельбронзовую, висмутслоистую и пирохлорную. У каждой — свой набор характеристик и ограничений. Подбирая состав, тип структуры, а также вводя замещающие элементы и добавки (модификаторы), можно получать материалы с заданными свойствами — от термостабильных высокочастотных до мощных низкочастотных.