730

Рис. 3. Изменение и tg пьезокерамики ЦТБС-3 под действием постоянного электрического поля (Е– = 300 В/мм) и механического напряжения ( сж = 40 МПа). Прерывистый режим

Врежиме«противполя»характеризменения / аналогиченповедению образцов в режиме «по полю». Отличие состоит в том, что колебания / после «отдыха» от Е_ в этом случае больше и могут достигать~12 %.

121

УстойчивостьпьезосвойствидиэлектрическихпараметровПКЦТБС-3 кдействию сж иЕ_значительноменьшая,чемукерамикиЦТС-19.После

60чиспытания изменениеQм составило70, а Kp —36 %.

2.Статическаянагрузка( сж = 40 МПа)ипостоянноеэлектрическое поле(непрерывныйрежим,300 В/мм, = 120 ч).Привеличинеэлектри-

ческого поля Е_= 300 В/мм его направление по отношению к вектору поляризацииПКпрактическиневлияетнавеличинуихарактеризменения параметров и tg (рис. 4).

Вповеденииразныхсоставовкерамикпринепрерывном воздействии механических и электрических напряжений отмечаются те же законо-

Рис. 4. Относительные изменения и tg пьезокерамики при действии постоянного электрического поля (Е– = 300 В/мм) и механического напряжения ( сж = 40 МПа). Непрерывный режим: 1, 1' — ЦТС-19; 2, 2' — ЦТБС-3; 3, 3' — ЦТС-22; сплошная кривая — режим «по полю», штриховая кривая — режим «против поля»

мерности, чтобылиустановленыприпериодическомдействииэлектрическогополятойжевеличины:наименьшиеизменения иtg присущи ЦТС-19, а наибольшие — пьезокерамике ЦТБС-3. Керамика ЦТС-22, относящаяся к группе сегнетожестких материалов, занимает промежуточноеположениеипохарактеруизменения иtg большесоответству- еткерамикеЦТБС-3.

В этом режиме более заметно проявляется влияние характера уста- новкиобразцов—«пополю»и«противполя»напьезосвойствакерами- ки. Такнапример, коэффициент электромеханическойсвязи Kp ипьезомодуль d31 в динамическом режиме уменьшились во время испытаний длявсехтиповпьезокерамики.Однаковрежиме«противполя»величины этихизмененийоказалисьзначительнобольшими.Чтожекасаетсяпьезопараметров, то в этом режиме более заметно проявляется различие в поведении образцов ПК при установке их «по полю» и «против поля».

122

Так, например, коэффициентэлектромеханическойсвязи Kp ипьезомодуль d31 вдинамическом режимеуменьшились вовремяиспытаний для всех типов пьезокерамики. Однако в режиме «против поля» величины этихизмененийоказалисьзначительнобольшими.

Такоеповедениематериаловвполнеукладываетсявпредставлениео том,чтоодноосноенапряжениесжатиявсегдавызываетдеполяризацию образца ПК, а постоянное электрическое поле деполяризует ПК только при установке образца E Pr «против поля». В этом случае оба фак-

тора действуют сонаправленно. При установке образцов E Pr ( «по полю»)происходитчастичнаякомпенсацияпроцессадеполяризацииотсж,приэтомпреобладающимрезультатомявляетсяэффектдеполяризацииот сж (приуказанныхзначениях величин сжиЕ_вданном режиме нагружения).Такимобразом,приодновременномвоздействииэлектрического поля и механического напряжения на пьезокерамику проявляется эффект суперпозиции.

После 170 ч отдыха все пьезоэлектрические параметры оставались меньшеисходныхдлявсехтиповпьезокерамики, какивслучаевоздействиялишьодногомеханическогонапряжения(табл.2)[7].

Таблица 2

Изменение параметров пьезокерамики после длительного воздействия

*Режим электрического поля непрерывный.

3. Статическаянагрузка( сж= 40 МПа)ипеременноеэлектрическое

поле(f = 1кГц,E~ = 300В/мм,режимпрерывистый).

123

КерамикаЦТС-19.Придействии сж = 40 МПавначальныймомент диэлектрическаяпроницаемостьПКуменьшается(~10 %).Сдлительностью действия сж и E~ несколько сотен часов это изменение , которое происходитвначальныймомент, сохраняетсяпрактическипостоянным. Разброс значений после «отдыха» от электрического поля невелик (1–2 %). Тангенс угла диэлектрических потерь тоже уменьшается при действии сж=40МПана10–20 %.Переменноеполевначальныймомент вызываетнезначительноеповышениеtg , азатем современемдействиясж и E~ изменений не происходит.

Керамика ЦТБС-3. Переменное электрическое поле при одновременном воздействии механической нагрузки оказывает на «сжатые» образцы такое жепримерно влияние на , как и постоянное E_: диэлектрическаяпроницаемостьвначальныймоментнескольковозрастает, но затем постепенно снижается. «Отдых» образцов от Е~, как и в случае действия E_, способствует релаксации , при этом релаксационный эффект может восстанавливать проницаемость до исходного значения и дажеизменять еев отрицательную область графика.

Интереснымявляетсятотфакт,чтопослеразгрузкиобразцовиотдыха (несколькодесятковчасов)от сж иE_приповторномиспытаниинаблюдается своеобразный скачок в сторонуувеличения на ~5 % посравнению с результатом, снятым перед разгрузкой. В дальнейшем картина поведения образцов повторяется: рост постоянно уменьшается, приближаясь к исходному значению с увеличением времени испытаний. Еслииспользоватьподобныйприем «раскачки», чередуядействия сж и E_сразгрузкой,то можетсоставитьзначительнуювеличину—20 % и более.

Резкое(на60–100 %)возрастаниеtg уПКЦТБС-3в начальныймомент действия сж при наложении переменного электрического поля замедляется, и современем действияЕ~ и сж наблюдается уменьшение значения tg , в отличиеот действияпостоянных полей[8].

ПьезосвойстваПКЦТС-19иЦТБС-3придействии сжиЕ~изменяются более существенно, чем их диэлектрические параметры.

Особеннозаметные изменения пьезосвойств происходят уобразцов ПКЦТБС-3.Так,после60 чдействияE_и150–200 чсжимающихнагрузок уменьшение Qм составило 70, а Kp — 34, d31 — 22 %. Для образцов ПК ЦТС-19после200 чдействияE_и500 ч сжизменениеэтиххарактеристик значительноменьшееисоставило50, 15,14 %, соответственно.

После длительного старения E = 500 ч и сж= 2000 ч резонансные характеристикиисчезлиуобразцовПКЦТБС-3,нобыличастичносохра- неныдляЦТС-19.

124

4. Статическаянагрузка( сж= 40 МПа)ипеременноеэлектрическое поле(f = 1 кГц,E~ = 300 В/мм,режимнепрерывный, = 120 ч).Вдан-

ном режиме«отдыха»небыло,образцынепрерывнонаходилисьвсостояниисжатия, аэлектрическоеполеснималосьлишьнавремяизмерения параметров (3–5 мин).

Переменное электрическое поле, в отличие от постоянного, для об- разцовкерамикиЦТС-19иЦТС-22уменьшаетэффектвоздействиямеха- ническогонапряжениясжатиянавеличинудиэлектрическойпроницаемости.

УобразцаПКЦТБС-3диэлектрическаяпроницаемостьпрактически изменялась так же, как и в случае постоянного поля.

ИзменениевеличиныдиэлектрическихпотерьдляПКЦТС-19, в ос- новном,определяетсямеханическимвоздействием,адляЦТБС-3и ЦТС- 22—электрическим.Втабл. 3приведеныисходныезначенияпараметров ПК иих измененияпослеиспытаний втечение120 ч.

Таблица 3

Изменение параметров пьезокерамики после длительного воздействия переменного электрического поля (f = 1 кГц, Е~* = 300 В/мм) и механического напряжения (40 МПа)

Обсуждение результатов

Полученные результаты старения пьезокерамики разных составов, модифицированной различнымидобавками, показывают:

наибольшей устойчивостью к одновременномувоздействию электрическихи механическихнапряженийобладаеткерамикамарокЦТС-19 и ЦТС-22.Ониудовлетворительносохраняютдиэлектрическиеипьезос- войствапри совместномдействиисжимающейнагрузки40 МПавтече- ние1500–2000 чиэлектрическогополя300 В/мм(постоянногоилипеременногоf = 1кГц)втечение500–1000ч;

пьезокерамикаЦТБС-3претерпеваетнаиболеесущественныеизме- нениядиэлектрических( до20,tg до80–100 %)ипьезосвойств(Qм до

125

80, Kр, d31 до 30–40 %) при наложении комбинированной нагрузки ( сж + Е), при этом определяющим фактором является механическое нагружение( cж = 40 МПа);

приодновременномдействииодноосногомеханическогонапряжения сжатия и прерывистого(периодического) электрическогополя (постоянного или переменного) изменения свойств пьезокерамики с течением времени имеют сложный характер, обусловленный, видимо, различнымимеханизмамистарения,которыеопределяютсявидом действующего фактора и структурой материала;

имеет место эффект компенсации, который вносит электрическое полевизменениепараметров,вызванноемеханическойнагрузкой. Степенькомпенсациизависитотвеличинынапряжениясжатия, напряженности электрического поля и его полярности (в случае постоянного поля), а также от состава пьезокерамики;

наиболеесущественныеизмененияKp иd31 длявсехмарокпьезокерамикипроисходятпридействиимеханическойнагрузкии постоянного электрического поля в режиме «против поля».

классификацияпьезоматериалакопределеннойкатегориисегнетожесткости (устанавливаемой по параметрам петли гистерезиса) не может однозначнослужить критериемустойчивости ПКк длительному совместномувоздействиюэлектрическихимеханическихнапряжений.

Установленныекачественныеиколичественныеразличия в поведении пьезокерамики разных составов относительно действующих внешнихэксплуатационныхфакторовможнообъяснить, исходяиз следующихпоказателеймикроструктурыматериалаивидавводимыхдобавок:

Стабильная к действию внешних факторов пьезокерамика марок

ЦТC-19,ЦТC-22имеетболеемелкозернистуюструктуру(dзерна = 2–4 мкм), нежелипьезокерамикамаркиЦТБС-3(dзерна =5–7 мкм).Приболеемелкозернистойструктуре( 4 мкм)сегнетоэлектрическаяполяризациябудет

уменьшаться, ее труднее переориентировать электрическим полем [1].Наиболее важным структурным фактором, определяющим ста-

бильность пьезокерамики, является подвижность доменных границ. В этом случае роль модифицирующих добавок должна проявляться осо- беннозаметно.Надополагать,чтовводимыедобавкивсоставыЦТС-19 (Nb2O5)иЦТС-22(Cr2O3)обеспечиваютвопределеннойстепенисохран- ностьсамихдоменовималуюподвижностьихстеноквусловияхмеханическогосжатияиэлектрическогополя.Втовремя,какдобавкаBaOв ПК ЦТБС-3 эту функцию выполняют недостаточно, и доменная структура этихматериаловнаходитсявметастабильном состоянии.

Большаявеличиназерна,повышеннаядефектностьтвердогораствора Pb(Zr,Ti)O3 при изоморфном внедрении в решеткуперовскита кати-

онов Ba2+ с достаточно большим ионным радиусом rBa2 1,34 будут

126

создаватьнапряженноесостояниематериала,чтоотрицательносказывается на устойчивости ПК к внешним воздействиям.

Литература

1.Яффе Б. Пьезоэлектрическая керамика / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе; пер. с англ. М.: Мир, 1974. 288 с.

2.Крамарова Л.П. Исследование диэлектрических параметров ПК третьего состава при воздействии одномерного статического сжатия / Л.П. Крамарова, Г.Б. Тарасова, А.Б. Телеснин // Прикладная акустика. II-Таганрог, 1969. С. 17–20.

3.Дорошенко В.А. Эффект изменения направления остаточной поляризации ПК под действием механического сжатия / В.А. Дорошенко // В сб. Пьезокерамические материалы и преобразователи. РГУ, 1969. С. 89–99.

4.Крамарова Л.П. Исследование старения некоторых составов ПК / Л.П. Крамарова, Г.Б. Тарасова, Л.Ф. Лепендин // В сб. Пьезокерамические материалы и преобразователи. РГУ, 1971. С. 160–166.

5.Василовский В.В. Исследование параметрического акустического излучателя при высоких гидростатических давлениях / В.В. Василовский // Прикладная акустика. IV-Таганрог, 1976. С. 43–47.

6.Крамарова Л.П. Некоторые вопросы старения сегнетоэлектриков / Л.П. Крамарова // В сб. Пьезокерамические материалы и преобразователи. РГУ, 1971. С. 59– 64.

7.Плетнев П.М. Влияние одноосной механической нагрузки на электрофизические свойства пьезокерамики / П.М. Плетнев, В.А. Ланин // Совершенствование качества материалов и конструкций: Междунар. сб. науч. тр. Новосибирск, 2004. С. 26–30.

8.Плетнев П.М. Старение пьезокерамики системы ЦТС под действием внешнего электрического поля / П.М. Плетнев, В.А. Ланин // Огнеупоры и техническая керамика. 2005. №. 6. С. 16–21.

3.5.СЕГНЕТОЖЕСТКОСТЬ ПЬЕЗОКЕРАМИКИ И ЕЕ СВЯЗЬ С УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ДЛИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И

МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ*

Важнойхарактеристикойпьезокерамики(ПК)являетсяеесегнетожесткость.Этахарактеристикаустанавливаетсяпопараметрам(остаточная поляризованностьРr икоэрцитивноеполеЕс)предельнойпетлидиэлектрического гистерезиса в низкочастотном (f = 50 Гц) электрическом поле. К категориисегнетожестких материаловотносят маркикерамики с высокими значениями Ес, а к категории сегнетомягких – с малыми значениями Ес. Строгие количественные границы повеличине коэрцитивногополя, какправило, нерегламентируются.

Уровень сегнетожесткости пьезоматериалов носит относительный характервпределаходнойсистемыоксидов[1].Априорипредполагают,

* Плетнев П.М., Ланин В.А., Рогов И.И. Материаловедение. 2007. № 8. С. 29–31.

127

чтосегнетожесткийматериалболееустойчивквоздействиюэлектрическогополя, т.е. сохраняетосновные диэлектрическиеипьезохарактеристики. В работе [2] показано, что в сильных переменных полях (Е Ес) «электрическая усталость» быстрее наступает для сегнетомягких материаловприихциклическойпереполяризации.Этопроявляетсяврезком спаде остаточной поляризованности Рr и небольшом увеличении Ес послезначительногочислапереключенийполя(N 105 107).

Дляпрактикиважным являетсявопросостабильностидиэлектрических и пьезо-параметров заполяризованных образцов ПК при действии длительного электрического и механического нагружения. В этом случае связь между устойчивостьюПКктакимвоздействиям и уровнем сегнетожесткости материаланеочевиднаитребует экспериментальной проверки.

Нами проведены исследования старения ряда отечественных промышленныхсоставовПКсистемыЦТСвразличныхрежимах воздействияэлектрическогополя иодноосногомеханическогонапряжениясжатия.СоставыПКотносилиськразличнойкатегории сегнетожесткости(поклассификации[1]).

128

При первом режименарастание электрическогополя проводилось с шагомв Е=100В/ммот100до2000В/ммивыдержкой5минприкаждом значении Е. Общая продолжительность испытания составляла 2 ч. При длительном режиме образцы подвергались периодическому воздействию электрического поля в течение 10–12 ч в сутки с последующим «отдыхом»(суммарноедействиеэлектрическогополясоставляла1000 ч). В данном режиме заполяризованные образцы устанавливались в двух

положениях:«пополю»( E Pr )и«противполя» E Pr ,гдевектор остаточнойполяризациизадаетнаправлениепервоначальногопредель- но-поляризующего электрического поля.

Результаты испытаний в двух режимах свидетельствуют, что качественный ход кривых / для исследуемых составов ПК имеет много общего, количественные жеразличия (в одном и том же режиме) более заметныдляПКразныхсоставов.Различияпоказательныприустановке

образцов «против поля» E Pr .

Притакойустановке E Pr постоянноеэлектрическоеполеведет к постепенной деполяризации образцов ПК (споследующей их частичнойпереполяризацией),чтоотражаетсяналичием минимуманакривых= (Е) и = ( ) для режимов а и б соответственно.

Проверка«знакаполяризации»показала, чтовступенчатомрежиме нарастания Е переполяризовались образцы ПК всех составов, но для марокЦТС-19иЦТСНВ-1деполяризациянаблюдаласьнаболеенизкой ступени, чем для марки ЦТБС-3. Поле активации деполяризации для первыхдвухсоставовПКсоставляло(Еакт 0,6 0,8кВ/мм),адлятретьего

состава(ЦТБС-3)онобыловыше(Еакт 1 1,2кВ/мм).

В режиме постоянного по величине (но прерывистого во времени) электрического поля переполяризация обнаружена усоставов ЦТСНВ- 1иЦТБС-3ужечерезвремя 100ч;длясоставаЦТС-19деполяризация (и последующая переполяризация) не обнаружены доконца испытаний

(1000 ч).

Следуетотметить,чтодеполяризацияПКведеткпотереполярнойоси

( Pr )и,следовательно, кисчезновениюпьезосвойств.Частичноевосстановлениепьезосвойствпосле«отдыха»отэлектрическогополябыстрее наступалоуПКЦТС-19, нежелидругихсоставов.

Пьезокерамика марки ЦТС-19 оказалась более устойчивой и к длительномувоздействиюпеременногоэлектрическогополя(Е~ 300 В/мм) [3].Наибольшаянестабильностьдиэлектрическихипьезо-характеристик вэтом режимебыла отмеченадля ПКЦТСНВ-1.

Неоднозначность связи сегнетожесткости ПК с ее устойчивостью к действию электрического поля проявляется и для пьезокерамик других

129

марокПКР-8,ПКР-15, ПКД-33/8,ПКД-451/9,ПКД-497/11системыЦТС (многокомпонентныетвердыерастворы). ЭтимаркиПКявляютсяболее сегнетожесткими материалами, чем рассмотренныевышесоставы. Со- ставыПКД-33/8иПКР-8считаютсяболеежесткими,чеммаркаПКР-15.

Старение заполяризовнных образцов этик марок ПК проводилось в болеесильном электрическомполеЕ~ 1250В/мм,[ Е 500час.,режим испытания – прерывистый]. При установке образцов «против поля»

E Pr в течение всего времени действия поля образцы ПКД-451/9 и ПКД-33/8 не деполяризовались. Время же деполяризации для других составов оказалось равным: 11 чдляПКД-497/11,70чдляПКР-

15и312чдляПКР-8. Наименьшие изменения ди-

электрических потерь (~20 %) было присуще образцам ПКД- 497/11иПКД-33/8.ДляПКР-15,

ПКР-8 и ПКД-451/9 в режиме

E Pr изменениеtg достига-

ло~150%.

Послеснятия электрическогополяи«отдыха»200ч,восстановлениедиэлектрических( )и пьезосвойств происходило незначительнодлявсехсоставов,за исключениемПКД-33/8иПКР-8.

130