Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Титанат цирконата свинца, также называемый титанатом циркония свинца и обычно обозначаемый как PZT, — это неорганическое соединение с химической формулой Pb[ZrₓTi₁₋ₓ]O₃ (0 ≤ x ≤ 1). Это керамический перовскитный материал, демонстрирующий выраженный пьезоэлектрический эффект, то есть соединение изменяет свою форму при воздействии электрического поля. Он используется в различных практических областях, таких как ультразвуковые преобразователи и пьезоэлектрические резонаторы. Это твердое вещество белого или почти белого цвета. Титанат циркония свинца был впервые разработан около 1952 года в Токийском технологическом институте. По сравнению с титанатом бария, ранее открытым пьезоэлектрическим материалом на основе оксида металла, титанат циркония свинца обладает большей чувствительностью и более высокой рабочей температурой. Пьезоэлектрическая керамика выбирается для применения благодаря своей физической прочности, химической инертности и относительно невысокой стоимости производства. Керамика PZT является наиболее широко используемой пьезоэлектрической керамикой, поскольку она обладает еще большей чувствительностью и более высокой рабочей температурой, чем другие пьезокерамики. В последнее время наблюдается активный поиск альтернатив PZT в связи с законодательными ограничениями на использование сплавов и соединений свинца в коммерческой продукции во многих странах.
Lead zirconate titanate, also called lead zirconium titanate and commonly abbreviated as PZT, is an inorganic compound with the chemical formula |Pb[Zr {x}Ti {1−x}]O3 (0 ≤ x ≤ 1) It is a ceramic perovskite material that shows a marked piezoelectric effect, meaning that the compound changes shape when an electric field is applied. It is used in a number of practical applications such as ultrasonic transducers and piezoelectric resonators. It is a white to off white solid. Lead zirconium titanate was first developed around 1952 at the Tokyo Institute of Technology. Compared to barium titanate, a previously discovered metallic oxide based piezoelectric material, lead zirconium titanate exhibits greater sensitivity and has a higher operating temperature. Piezoelectric ceramics are chosen for applications because of their physical strength, chemical inertness and their relatively low manufacturing cost. PZT ceramic is the most commonly used piezoelectric ceramic because it has an even greater sensitivity and higher operating temperature than other piezoceramics. Recently, there has been a large push towards finding alternatives to PZT due to legislations in many countries restricting the use of lead alloys and compounds in commercial products.
Электрокерамические свойства
Будучи пьезоэлектрическим, цирконат-титанат свинца развивает напряжение (или разность потенциалов) на двух своих гранях при сжатии (что полезно для применений в датчиках) и физически изменяет свою форму при воздействии внешнего электрического поля (что полезно для применений в исполнительных механизмах). Относительная диэлектрическая проницаемость цирконата-титаната свинца может изменяться от 300 до 20000 в зависимости от ориентации и легирования. Будучи пироэлектрическим, этот материал развивает разность потенциалов на двух своих гранях при изменении температуры; следовательно, цирконат-титанат свинца может использоваться в качестве датчика тепла. Цирконат-титанат свинца также является ферроэлектриком, что означает, что он обладает спонтанной электрической поляризацией (электрическим диполем), которую можно обратить при воздействии электрического поля. Материал демонстрирует чрезвычайно высокую относительную диэлектрическую проницаемость на морфотропной границе фаз (MPB) при x ≈ 0,52. Некоторые составы являются омическими до значений не менее 250 (25), после чего ток растет экспоненциально с увеличением напряженности поля до достижения лавинного пробоя; однако цирконат-титанат свинца проявляет временную зависимость диэлектрической прочности — пробой может произойти при постоянном напряжении через минуты или часы, в зависимости от напряжения и температуры, поэтому его диэлектрическая прочность зависит от временного масштаба измерения. Другие составы имеют диэлектрическую прочность, измеряемую в диапазоне 8.
Being piezoelectric, lead zirconate titanate develops a voltage (or potential difference) across two of its faces when compressed (useful for sensor applications), and physically changes shape when an external electric field is applied (useful for actuator applications). The relative permittivity of lead zirconate titanate can range from 300 to 20000, depending upon orientation and doping. Being pyroelectric, this material develops a voltage difference across two of its faces under changing temperature conditions; consequently, lead zirconate titanate can be used as a heat sensor. Lead zirconate titanate is also ferroelectric, which means that it has a spontaneous electric polarization (electric dipole) that can be reversed in the presence of an electric field. The material features an extremely large relative permittivity at the morphotropic phase boundary (MPB) near x = 0.52. Some formulations are ohmic until at least 250 (25), after which current grows exponentially with field strength before reaching avalanche breakdown; but lead zirconate titanate exhibits time dependent dielectric breakdown — breakdown may occur under constant voltage stress after minutes or hours, depending on voltage and temperature, so its dielectric strength depends on the time scale over which it is measured. Other formulations have dielectric strengths measured in the 8 range.
Применение
Материалы на основе цирконата-титаната свинца являются компонентами керамических конденсаторов и STM/AFM актуаторов (трубок). Цирконат-титанат свинца используется для изготовления ультразвуковых преобразователей и других датчиков и исполнительных механизмов, а также высокоемкостных керамических конденсаторов и чипов FRAM. Цирконат-титанат свинца также применяется в производстве керамических резонаторов для опорного отсчета времени в электронных схемах. Противоосколочные очки с PLZT защищают экипажи от ожогов и слепоты в случае ядерного взрыва. Линзы PLZT могут становиться непрозрачными менее чем за 150 микросекунд. В коммерческих целях он обычно не используется в чистом виде, а скорее легируется либо акцепторами, создающими кислородные (анионные) вакансии, либо донорами, создающими металлические (катионные) вакансии и облегчающими движение доменных стенок в материале. В общем случае, легирование акцепторами создает "жесткий" цирконат-титанат свинца, а легирование донорами – "мягкий" цирконат-титанат свинца. "Жесткий" и "мягкий" цирконат-титанат свинца обычно различаются по своим пьезоэлектрическим константам. Пьезоэлектрические константы пропорциональны поляризации или электрическому полю, генерируемому на единицу механического напряжения, или, альтернативно, механической деформации, возникающей при приложении единицы электрического поля. В общем случае, "мягкий" цирконат-титанат свинца имеет более высокую пьезоэлектрическую константу, но большие потери в материале из-за внутреннего трения. В "жестком" цирконат-титанате свинца движение доменных стенок заблокировано примесями, что снижает потери в материале, но за счет уменьшения пьезоэлектрической константы.
Lead zirconate titanate based materials are components of ceramic capacitors and STM/AFM actuators (tubes). Lead zirconate titanate is used to make ultrasound transducers and other sensors and actuators, as well as high value ceramic capacitors and FRAM chips. Lead zirconate titanate is also used in the manufacture of ceramic resonators for reference timing in electronic circuitry. Anti flash goggles featuring PLZT protect aircrew from burns and blindness in case of a nuclear explosion. The PLZT lenses could turn opaque in less than 150 microseconds. Commercially, it is usually not used in its pure form, rather it is doped with either acceptors, which create oxygen (anion) vacancies, or donors, which create metal (cation) vacancies and facilitate domain wall motion in the material. In general, acceptor doping creates hard lead zirconate titanate, while donor doping creates soft lead zirconate titanate. Hard and soft lead zirconate titanate generally differ in their piezoelectric constants. Piezoelectric constants are proportional to the polarization or to the electrical field generated per unit of mechanical stress, or alternatively is the mechanical strain produced by per unit of electric field applied. In general, soft lead zirconate titanate has a higher piezoelectric constant, but larger losses in the material due to internal friction. In hard lead zirconate titanate, domain wall motion is pinned by the impurities, thereby lowering the losses in the material, but at the expense of a reduced piezoelectric constant.
Сорты
Одним из наиболее изученных химических составов является PbZr0.52Ti0.48O3. Повышенная пьезоэлектрическая реакция и эффективность поляризации вблизи x = 0,52 обусловлены увеличением числа допустимых доменных состояний в точке MPB. На этой границе 6 возможных доменных состояний тетрагональной фазы ⟨100⟩ и 8 возможных доменных состояний ромбоэдрической фазы ⟨111⟩ энергетически равнозначны, что позволяет достичь максимума в 14 возможных доменных состояний. Как и структурно схожие танталат скандия свинца и титанат бария-стронция, цирконат-титанат свинца может использоваться для изготовления неохлаждаемых матричных инфракрасных датчиков для термографических камер. Используются как тонкие пленки (обычно получаемые химическим осаждением из паровой фазы), так и массивные структуры. Формула используемого материала обычно приближается к Pb1.1(Zr0.3Ti0.7)O3 (обозначается как цирконат-титанат свинца 30/70). Его свойства могут быть модифицированы путем легирования лантаном, что приводит к образованию лантанодопированного цирконата-титаната свинца (цирконат-титанат свинца, также называемого цирконат-титанат свинца лантана) с формулой Pb0.83La0.17(Zr0.3Ti0.7)0.9575O3 (цирконат-титанат свинца 17/30/70).
One of the commonly studied chemical composition is |PbZr0.52Ti0.48O3. The increased piezoelectric response and poling efficiency near to x = 0.52 is due to the increased number of allowable domain states at the MPB. At this boundary, the 6 possible domain states from the tetragonal phase ⟨100⟩ and the 8 possible domain states from the rhombohedral phase ⟨111⟩ are equally favorable energetically, thereby allowing a maximum 14 possible domain states. Like structurally similar lead scandium tantalate and barium strontium titanate, lead zirconate titanate can be used for manufacture of uncooled staring array infrared imaging sensors for thermographic cameras. Both thin film (usually obtained by chemical vapor deposition) and bulk structures are used. The formula of the material used usually approaches |Pb1.1(Zr0.3Ti0.7)O3 (called lead zirconate titanate 30/70). Its properties may be modified by doping it with lanthanum, resulting in lanthanum doped lead zirconium titanate (lead zirconate titanate, also called lead lanthanum zirconium titanate), with formula |Pb0.83La0.17(Zr0.3Ti0.7)0.9575O3 (lead zirconate titanate 17/30/70).