Применение сегнетоэластиков

Подавляющее большинство технических применений сегнетоэластиков основано на использовании переключения ориентационных состояний кристалла или управления его доменной структурой, в частности управления положением доменных границ [6]. Для управления доменными структурами используют либо соответствующим образом ориентированное механическое напряжение в случае чистого сегнетоэластика, либо электрическое поле для сегнетоэластиков-сегнетоэлектриков.

Основные типы устройств на основе сегнетоэластиков можно разделить на три класса: оптические, акустоэлектронные и электромеханические.

Оптические применения сегнетоэластиков включают в себя оптические затворы и ключи, элементы логики и памяти, устройства отображения информации, дефлекторы и сканаторы. Кристаллы при этом должны быть прозрачными в видимом и ближнем ИК-диапазоне.

Оптические применения главным образом базируются на использовании двух оптических эффектов, характерных для сегнетоэластиков. Первый заключается в том, что оптические индикатрисы в соседних доменах обязательно разориентированы. Это значит, что переключение кристалла из одного ориентационного состояния в другое приводит к изменению соответствующих оптических свойств. Второй из оптических эффектов использует оптическую активность кристаллов, то есть способность кристалла поворачивать на некоторый угол плоскость поляризации света, и основан на особом свойстве доменных границ: при распространении поляризованного света вдоль доменной границы не происходит вращения плоскости поляризации света.

Первый эффект используется, например, в приборах, работающих по принципу оптического затвора (рис. 5, а). Здесь пластинка 1 сегнетоэластика-сегнетоэлектрика Gd2(MoO4)3 с напыленными на его грани прозрачными электродами расположена между скрещенными поляроидами (поляризатором 2 и анализатором 3 ), поэтому свет через оптический затвор не проходит. При переключении исходного направления поляризации на 180?, осуществляемом изменением полярности управляющего электрического напряжения Uупр = 200 В, происходит поворот оптической индикатрисы на 90? в плоскости, перпендикулярной вектору поляризации, что приводит к большому изменению двупреломления для света, распространяющегося вдоль полярной оси, и к максимальному прохождению света через анализатор 3. В этом устройстве электрически переключаемый сдвиг по фазе на четверть длины волны достигается с кристаллом толщиной 0,15 мм при длине волны света 500 нм, а двупреломление для начального состояния поляризации компенсируется четвертьволновой пластиной 4. Время переключения составляет 10- 3-10- 4 с. Важным преимуществом сегнетоэластических оптических затворов является высокая помехоустойчивость к вибрациям и электромагнитным полям.

Отличающиеся от свойств кристалла оптические свойства доменной стенки используются в приборах, получивших название сканаторов. Пример электрически управляемого сканатора приведен на рис. 5, б. Свет, пройдя через поляризатор, попадает на пластину сегнетоэластика-сегнетоэлектрика, содержащую два домена, разделенные плоской доменной стенкой. После прохождения через смежные домены свет изменит плоскость поляризации на 90?, вследствие чего будет задержан анализатором, установленным параллельно поляризатору. В то же время свет, прошедший через доменную стенку, не изменяет положения плоскости поляризации, поэтому не задерживается анализатором и попадает на линзу. Собирающая линза позволяет получить на экране изображение доменной стенки в виде светлой линии на темном фоне. Управляющим напряжением, приложенным к электродам сегнетоэластической пластины, можно изменять положение доменной стенки, перемещая ее от одного края кристалла до другого. При этом будет перемещаться по экрану изображение движущейся доменной стенки.

Среди известных применений сегнетоэластиков в электромеханических преобразователях, в частности в качестве стрикторов, позиционеров, пьезотрансформаторов и пр., в последние годы появилось направление, связанное с созданием на основе сегнетоэластиков чувствительных элементов датчиков давлений, усилий, ускорений. К числу других новых применений можно отнести аналоговую память, устройства цифровой техники.

Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы Bi – Pb – Sn.

1.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех компонентной системы определите фигуративные точки сплавов следую­щей концентрации:

а) Bi – 0%, Pb – 45%, Sn – 55%; б) Bi – 10%, Pb – 25%, Sn – 65%.

2.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы трех­компонентной системы изобразите: а) совокупность сплавов, имеющих постоянную концентрацию того или иного компонента,б)совокупность сплавов, характеризующихся постоянным соотношением компонентов:

а) Pb – 15%; б) Bi : Pb = 1 : 1.

3. Поверхность солидуса - это геометрическое место фигуративных точек твёрдых растворов предельной концентрации. Поверхность ликвидуса - это геометрическое место фигуративных точек жидких растворов предельной концентрации. Поверхности начала кристаллизации двойных эвтектик (линейчатые поверхности) – это поверхности, связанные с выделением двойной эвтектики. Над этими поверхностями сплавы двухфазны (сплав и один твёрдый компонент), а под ними трёхфазны (расплав и два твёрдых компонента). Особенностью таких поверхностей является то, что любое изотермическое сечение диаграммы пересекает поверхности двойных эвтектик по прямым линиям – коннодам, соединяющим фигуративные точки фаз, находящихся в равновесии при данной температуре, - одной жидкой (точки лежат на линиях двойных эвтектик) и двух твёрдых (точки лежат на вертикальных линиях компонентов системы.

В системе Bi- Pb- Sn имеются шесть поверхностей начала кристаллизации двойных эвтектик. На концентрационном треугольнике проекции этих поверхностей изображаются в виде треугольников АЕВ, ВЕС, АЕС

4. Сплав состава Bi – 40%, Pb – 20%, Sn – 40% при охлаждении из жидкого состояния начнет кристаллизоваться при температуре 150 ^оС.

5. Первые кристаллики, выпадающие при кристаллизации данного сплава, будут представлять собой чистый Sn, так как сплав находится в области, где первым начинает кристаллизоваться компонента Sn.При дальнейшем охлаждении состав жидкой фазы будет изменятся по кривой KLP, и в точке P жидкая фаза полностью исчезнет.

6. Количество твердой фазы, которое выделится из 5 кг рассматриваемого сплава при охлаждении до температуры 400 К (127 ^оС) можно определить по правилу рычага:

7. Второй компонент из сплава данного состава начнет выделяться при температуре  100 ^оС. Это будет компонент Bn. Состав жидкой фазы будет изменяться по линии кристаллизации двойной эвтектики как указано стрелками.

8.Кристаллизация жидкой фазы рассматриваемого сплава закончится при температуре эвтектики (96 ^оС). При этом будет протекать такое фазовое превращение: L  Bi + Pb + Sn. Состав последней капли расплава будет также соответствовать составу эвтектики (точка P на диаграмме): Bi – 51 %, Pb – 30 %, Sn – 19 %.

9.Для определения числа условных термодинамических степеней свободы рассматриваемой системы при различных температурах воспользуемся правилом фаз Гиббса: С = K – Ф + 1, где: С – искомое число условных термодинамических степеней свободы; К – число компонентов, образующих систему; Ф – число фаз, находящихся в равновесии при данных условиях.

При 400 К (127 ^оС): К = 3, Ф = 2, С = 2. При 370 К (97 ^оС): К = 3, Ф = 3, С = 1. При 96 ^оС (температура точки Е): К = 3, Ф = 4, С = 0.

10.Политермический разрез системы с постоянным содержанием компонента Bi – 15 % представлен на рисунке ниже.

11.Кривые охлаждения приведены для двух сплавов (I и II), и показаны в одной системе рисунков вместе с политермическим разрезом.

12.В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точке эвтектики, на фоне почти однородной структуры, состоящей из зерен эвтектического сплава (при рассматривании в светлом поле микроскопа они будут выглядеть серым фоном), видны кристаллики первого выделившегося вещества (как правило более светлые). В шлифах сплавов, фигуративные точки которых близки к точкам чистых компонентов, будут наблюдаться крупные светлые кристаллики чистого компонента, а по их границам образовывается сетка из сплава состава эвтектики.

275

250

225

200

175

150

125

100

96

T, ^oC

SnBi

PbBi

L

L+Pb+Sn

L+Pb

L+Sn

L+Sn+Bi

L+Bi+Pb

Bi+Pb+Sn

t

T ^оC

T ^оC

t

I

II

L

LPb

LBi+Pb+Sn

Bi+Pb+Sn

L

LSn

LPb+Sn

LBi+Pb+Sn

Bi+Pb+Sn

13.На концентрационном треугольнике фазовой диаграммы 3-х компонентной системы изображена проекция эвтектической диаграммы с твердыми растворами при температуре эвтектики и указаны фазы находящиеся в равновесии.