Пьезоэлектричество

Пьезоэлектрическая техника развилась в самостоятельную техническую отрасль в годы, предшествовавшие второй мировой войне. Этому во многом способствовал бурный рост радиотехники. Во время войны ежегодный выпуск кварцевых пластинок, предназначенных для работы в различных радиоприборах, исчислялся миллионами штук.

С каждым годом потребность в кварцевых пластинках продолжает расти. Неудивительно поэтому, что уже с первых своих шагов пьезоэлектрическая техника столкнулась с проблемой нехватки сырья.

Природные запасы кристаллов кварца ограничены. Добыча кварцевого сырья очень трудоёмка. Но дело не только в этом. Если внимательно рассмотреть кристалл кварца, то в его толще можно обнаружить множество дефектов. Особенно часты пузырьки, трещины, включения других минералов. Нередко кристалл состоит из нескольких сросшихся между собой частей с различно направленными координатными осями. Поэтому только незначительная часть объёма кварцевого кристалла пригодна для производства пьезоэлектрических пластинок. Так, например, в кристаллах высшего (уникального) сорта для изготовления пластинок может быть использовано лишь 20 % объёма. А в кристаллах самого низкого (третьего) сорта используется всего 1–2% объёма.

Всё это заставило учёных подумать об искусственном выращивании кварцевых кристаллов.

Уже довольно давно люди научились получать искусственные рубины и сапфиры. Поэтому казалось, что выращивание искусственного (синтетического) кварца не должно вызвать особых затруднений. Однако первые же опыты, проведённые в начале нашего столетия, показали, насколько трудна эта задача. Синтетические кристаллы кварца получались столь мелкими, что об их практическом применении не могло быть и речи. Только совсем недавно ценой многолетних настойчивых поисков и многочисленных опытов удалось получить искусственные кристаллы, пригодные для промышленных целей.

Выращивание синтетических кристаллов кварца производится в специальных герметических (воздухонепроницаемых) резервуарах — автоклавах — при высоких температурах и под большими давлениями.

По своему качеству пьезоэлектрические пластинки, изготовленные из синтетических кристаллов кварца, не уступают пластинкам из природного кварца.

Однако искусственные кристаллы пока ещё дороги, размеры их не удовлетворяют производственных потребностей. Поэтому одной из самых важных задач, стоящих перед пьезокварцевой техникой, является создание более совершенных способов выращивания искусственных кристаллов кварца. Не подлежит сомнению, что такие способы будут разработаны в недалёком будущем.

Другая проблема пьезоэлектрической техники — это создание дешёвого искусственного пьезоэлектрика, способного заменить кварц в некоторых областях применения. В решении этой проблемы также уже сделаны первые успешные шаги. В годы Великой Отечественной войны были созданы новые синтетические кристаллы, близкие по своим свойствам к кристаллам кварца. Среди них особый интерес представляет кристаллическое вещество сложного химического состава — этилендиаминтартрат.

Этилендиаминтартрат растворим в воде, однако значительно более влагостоек, чем, например, сегнетовая соль. По механической прочности он уступает кварцу, но зато превосходит его по силе пьезоэлектрического эффекта.

Собственная частота резонаторов из этилендиамин-тартрата так же, как и кварцевых резонаторов, мало зависит от температуры; отклонение частоты при нагреве или охлаждении резонаторов из сегнетовой соли в тысячи раз больше.

Благодаря своим достоинствам этилендиаминтартрат начинает находить практическое применение, главным образом, в фильтрах для радиотелефонии.

Резонаторы из этилендиаминтартрата могут быть использованы и для стабилизации частот радиопередатчиков в тех случаях, когда требования к устойчивости частоты колебаний не слишком велики. Некоторые типы пьезоэлектрических резонаторов имеют довольно большие размеры (до 10 см) и для их изготовления требуется много сырья. В этом случае применение дешёвых кристаллов этилендиаминтартрата представляет особенный интерес.

Были предприняты и поиски заменителей сегнетовой соли. Сегнетовая соль при всей её дешевизне имеет, как уже говорилось, ряд крупных недостатков. Она хрупка, отличается малой влагостойкостью, низкой температурой плавления и т. д. Требовалось найти дешёвые синтетические кристаллы, которые, с одной стороны, были бы близки к сегнетовой соли по силе пьезоэлектрического эффекта, а с другой стороны, не имели её недостатков.

Такие кристаллы были найдены. Это дигидрофосфат аммония — кристаллическое вещество со сложным химическим составом, которое обладает довольно сильным пьезоэлектрическим эффектом, отличается достаточно высокой механической прочностью, плавится при температуре около 190° Ц и сохраняет неизменность свойств при нагревании до 100°. Дигидрофосфат аммония растворим в воде, однако, в противоположность сегнетовой соли, влагостоек и может подолгу находиться во влажном воздухе.