Существует большое число разнообразных бездипольных диэлектрических материалов, в которых при отсутствии внешнего электрического поля поляризация отсутствует, но которые приобретают свойства, сходные со свойствами дипольных кристаллов, в том числе и остаточную поляризацию, после предварительного воздействия постоянного электрического поля. Их называют материалами с метастабильной электрической поляризацией.

Рассмотрим вещества с метастабильной электрической поляризацией, в которых внешним электрическим полем можно индуцировать поляризацию и которая будет сохраняться хотя бы частично после снятия внешнего поля. Широкая категория материалов с метастабильной поляризацией включает в себя как кристаллические, так и аморфные или стеклоподобные диэлектрики, поляризация которых может возникать вследствие вызванного электрическим полем выстраивания диполей в направлении поля или из-за захвата ионов и электронов локальными центрами в процессе электрической поляризации. К таким веществам относятся электреты, пьезоэлектрическая керамика, пьезоэлектрические полимеры (которые могут обладать пироэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами), жидкие кристаллы, аморфные сегнетоэлектрические материалы, пьезокомпозиты, дипольные стекла и другие.

Рассмотрим некоторые из них. Например, что керамический сегнетоэлектрик титанат бария BaTiO₃ под действием электрического поля приобретает остаточную поляризацию и пьезоэлектрическую активность, значительно превосходящую пьезоактивность хорошо известного в то время и широко используемого в электронной технике пьезоэлектрика – монокристалла кварца.

Чтобы сделать керамику пьезоэлектрической, необходимо приложить к ней сильное электрическое поле (30-60 кВ/см), которое монодоменизирует каждый кристаллит и переориентирует полярные оси кристаллитов по направлениям, разрешенным симметрией и вместе с тем наиболее близким к направлению электрического поля (рис.1). Под действием поля домены в каждом кристаллите ориентируются преимущественно в одном направлении, а после снятия поля сохраняется остаточная поляризация.
Поляризованное состояние керамики является неравновесным и метастабильным. Со временем остаточная поляризация постепенно уменьшается по экспоненциальному закону из-за разориентации направлений поляризации и изменения доменной структуры в кристаллитах.

У большинства пьезоэлектрических материалов поляризация возникает в отсутствии электрического поля при упругих деформациях(прямой пьезоэлектрический эффект). Уравнение прямого пьезоэлектрического эффекта имеет вид:

где d - пьезоэлектрический модуль, σ - механическое напряжение.

Электреты – это аморфные и поликристаллические диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля, вызвавшего поляризацию диэлектрика, и создающие электрическое поле в окружающем пространстве. Из этого определения следует, что электрет является заполяризованным диэлектриком, точно так же, например, как и поляризованная сегнетокерамика, то есть пьезокерамика. Последняя, однако, состоит из кристаллитов или зерен, которые заполяризованы спонтанно, самопроизвольно, в то время как электрет – это диэлектрик, заполяризованный внешним полем принудительно и сохраняющий эту поляризацию длительное время.
Для получения электретов диэлектрик, помещенный в электрическое поле, подвергают определенному внешнему воздействию, которое способствует процессу миграции заряженных частиц (электронов и ионов). Такими воздействиями могут быть нагревание, освещение, магнитное поле, механическое напряжение, радиоактивное облучение. Поэтому в зависимости от способа изготовления различают термоэлектреты, фотоэлектреты, магнитоэлектреты, радиоэлектреты.

 

Если считать, что электрет получен путем ориентации существующих в материале постоянных электрических диполей в приложенном электрическом поле Е и охлаждением материала от температуры, при которой диполи свободно вращаются, до температуры Т_з , при которой диполи заморожены в тех или иных положениях, то величину остаточной поляризации Р можно оценить из формулы Дебая для дипольной поляризации:

где N - концентрация полярных молекул, p - дипольный момент молекулы.

 

Из пьезокерамики изготовляют пьезоэлементы, применяющиеся в телефонах, микрофонах, звукоснимателях, сейсмоприемниках, гидролокаторах, системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, плоских видеоэкранах, высоковольтных трансформаторах, аппаратах медицинской диагностики, устройствах звуковидения, гироскопах и других устройствах. Малые габариты пьезокерамических элементов позволяют успешно решать вопросы микроминиатюризации деталей и компонентов электронной аппаратуры.
В настоящее время электрострикционная сегнетокерамика в основном применяется в исполнительных механизмах для создания точных перемещений. Такого типа приводы обеспечивают стабильное перемещение до 80 мкм при управляющем напряжении до 800 В. По сравнению с магнитострикционными и пьезоэлектрическими управляющими приводами электрострикционные устройства выгодно отличаются малым электромеханическим гистерезисом, отсутствием старения, экономичностью и безынерционностью и могут применяться для создания различных исполнительных устройств и механизмов, используемых в адаптивной оптике, точной механике и электронике.
Сейчас наибольшее практическое применение находят электреты на основе полимерных пленок политетрафторэтилена, поликарбоната, полиметилметакрилата и др. Их используют для изготовления микрофонов и телефонов с очень широким частотным диапазоном, для бесконтактного измерения скорости вращения и механических вибраций, в качестве дозиметров радиации, пылеуловителей, в ксерографии и электрографии и многих других случаях.
 

Керамика - это поликристаллическое тело, состоящее из множества беспорядочно ориентированных монокристаллических зерен (кристаллитов) размером в несколько микрометров, разделенных межзеренными границами. Таким образом, керамический материал является многофазной системой, в которой различают кристаллическую, стекловидную и газовую фазы. Кристаллическая фаза состоит из кристаллитов определенного химического состава, причем состав и структура кристаллитов предопределяют основные свойства керамического материала. Стекловидная фаза представляет собой аморфную прослойку (межзеренные границы), связывающую между собой кристаллиты. Чем выше ее содержание, тем менее выражены характерные свойства кристаллической фазы. Газовая фаза заполняет поры керамики. При высокой пористости снижаются основные технические характеристики материала. Пространственное распределение фаз или микроструктура керамики зависит от способа ее получения, марки сырьевых материалов, кинетики фазовых превращений и режимов спекания.

Приготовление керамики начинается с синтеза сегнетоэлектрического соединения выбранного состава при высокой температуре (800-1200 C), в процессе которого в хорошо перемешанных порошках исходных компонентов происходит химическая реакция в твердом состоянии. Порошок, полученный в результате реакции, размалывается в шаровой мельнице для увеличения однородности и реакционной способности частиц. Затем из него прессуют заготовки заданной формы и размера, которые обжигают при высокой температуре (1000-1300 С), в результате чего происходит спекание керамики, плотность которой составляет 96-98% плотности монокристалла.

Наибольшее распространение получили керамические материалы на основе титаната бария BaTiO₃ , ниобатные керамики на основе ниобата бария свинца (PbBa)Nb₂O₆ и керамики на основе системы цирконат-титанат свинца Pb(ZrTi)O₃ . Введение модифицирующих добавок позволило, например, в последней системе получить гамму пьезокерамических материалов с необходимыми для практики свойствами. Материалы этой системы характеризуются высокими значениями пьезомодулей, диэлектрической проницаемости, большой механической прочностью, технологичностью и малой стоимостью при массовом производстве.