Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СЕГНЕТОЭЛАСТИКИ

СЕГНЕТОЭЛАСТИКИ

СЕГНЕТОЭЛАСТИКИ (ферроэластики) - кристаллич. вещества, <в к-рых при понижении темп-ры возникает спонтанная деформация кристаллич. <решётки относительно исходной в отсутствие внеш. механич. напряжений. Термин«С.» ввёл К. Айдзу (К. Aizu) в 1969. Спонтанная деформация является результатом структурного фазового перехода из более симметричной (параэластич.)в менее симметричную (сегнетоэластич.) фазу. Напр., кубич. сингония переходитв тетрагональную, гексагональная или тетрагональная - в ромбическую илимоноклинную, ромбическая - в моноклинную (см. Сингония).

При сегнетоэластич. переходе кристалл без разрыва своей сплошности теряеториентац. однородность и разбивается на сегнетоэластич. домены, каждыйиз к-рых принадлежит к одному из нескольких (двух, трёх - в зависимостиот изменения симметрии) состояний, отличающихся ориентацией кристаллич. <решётки (рис. 1, 2). Возникновение сегнетоэластич. (ориентац.) доменовможно рассматривать как частный случай механич. двойникования, причёмэлементами двойникования служат утраченные при переходе элементы поворотной(точечной) симметрии (см. Симметрия кристаллов). В прозрачных С. <доменную структуру можно наблюдать с помощью оптич. поляризац. микроскопаблагодаря разориентации оптич. индикатрис или разл. двойному лучепреломлениюдоменов. Наличие ориентац. доменов - характерный признак сегнетоэластич. <фазы.

Домены могут «переключаться» из одного ориентац. состояния в другоепод действием механич. напряжений определённой величины и направления. <Процесс переключения может происходить, напр., путём рождения тонких клиновидныхили линзообразных доменов с последующим их ростом и движением регулярныхплоских или зигзагообразных доменных границ или путём перемещения однойдоменной границы.

Рис. 1. Искажение кубической ячейки при сегнетоэла-стическом переходев тетрагональную сингонию (три ориентационных состояния).

В отличие от линейно упругих материалов или от веществ со слабой упругойнелинейностью, зависимость макроскопич. деформации С. от приложенного механич. <напряжения линейна лишь значительно выше

Рис. 2. Искажение ромбической ячейки при переходе в моноклинную сингонию(два ориентационных состояния).

темп-ры перехода Т _к и приобретает существенно нелинейныйхарактер в параэластич. фазе вблизи Т _к, переходя в петлюгистерезиса (см. Гистерезис упругий )в сегнетоэластич. фазе (рис.3). По петле гистерезиса можно определить величину спонтанной деформации х (для С. характерны большие величины х~10^-3-10^-1 )и т. <н. коэрцитивного напряжения Х _к, при к-ром происходитпереключение доменов. Значения Х _к варьируются в пределах от10⁵-10^s Па для «эласто-мягких» С. до 10⁸ Па для «эластожёстких». С. являются упругими аналогами сегнетоэлектриков и ферромагнетиков (см. Ферроики).

Рис. 3. Зависимость деформации х от напряжения X ри Т > Т _к(1); вблизи Т _к (2) и при Т < Т _к (3).

Анализ сегнетоэластич. фазовых переходов и аномалий упругих свойствС. базируется на феноменологич. теории фазовых переходов Ландау. <Исходным пунктом его является построение термодинамич. потенциала Ф, зависящегоот параметра порядка ,являющегося внутренней микроскопич. переменной, характеризующей изменениепространственной симметрии кристалла (точечной и трансляционной) при фазовомпереходе.

Параметр порядка при Т Т _к и при Т< Т _к. Вблизи Т _к параметр ц мал и термодинамич. потенциал может быть разложен по степеням

Здесь Ф ₀ - не зависящий от потенциал в исходной фазе, r - параметр, зависящий от темп-ры Т. Равновесное значение параметра порядка определяется из условия и . ПотенциалФ содержит также члены, характеризующие связь и х (в общем случае и х - многокомпонентные величины). Характер связи зависит от изменениясимметрии - не только точечной, но и трансляционной. Если параметр порядка и спонтанная деформация х преобразуются операциями симметрии одинаково, <то С. наз. собственным. При собств. сегнетоэластич. переходе изменяетсятолько точечная симметрия кристалла, но не меняется трансляционная. Принесобств. сегнетоэластич. переходе меняется также и трансляц. симметрия, <а объём элементарной ячейки увеличивается (умножается). При этом помимоориентационных возникают также трансляционные (антифазные) домены.

Термодинамич. анализ потенциала Ф позволяет описать аномалии разл. свойствв окрестности темп-ры Т _к - скачок теплоёмкости С _р, температурные зависимости деформации х (коэф. теплового расширения ),поляризации Р (если сегнетоэластич. фаза обладает сегнетоэлектрич. <свойствами), упругих местностей с или податливостей s, диэлектрич. <проницаемостей е и т. д. При этом вид аномалий для собственных и несобственныхС. различен (рис. 4). При фазовом переходе 2-го рода в собств. С. при .< Т _к сдвиговая спонтанная деформация изменяетсяс Г по закону , а в несобственном - как .Соответствующая компонента жёсткости в собств. С. ведёт себя как ( Т- Т _к )выше и ниже Т _к, т. е. при в обеих фазах наблюдается уменьшение жёсткости с и падение скоростизвука. В несобств. С. этого не происходит и при Т _к наблюдаетсяскачок и(или) изменение температурного коэф. жёсткости.

Рис. 4. Температурные зависимости теплоёмкости С _р, спонтаннойдеформации х и упругой жёсткости с при собственном (а, б, в) и несобственном(г, д, е) сегнетоэластических переходах.

В отличие от феноменелогич. теории, микроскопич. теория конкретизируетмеханизм фазового перехода и рассматривает взаимодействие частиц, составляющихкристаллич. решётку, с учётом её трансляц. симметрии. Как и в случае сегнетоэлектриков, <различают С. типа смещения и типа порядок - беспорядок.

С.- многочисл. класс кристаллов, претерпевающих структурные фазовыепереходы. Кристаллохим. классификация С. группирует их по типу пространственнойукладки «эластоактивных» высокосимметричных (октаэдрических или тетраэдрических)анионных или катионных комплексов, повороты или деформация к-рых могутприводить к понижению симметрии кристалла. Структурная классификация С. <обычно указывает структурный тип «родоначальника» семейства изоморфныхкристаллов (интернациональное назв. минерала). Семейства С. образуют пальмиериты[Рb₃ (РО ₄)₂], фергюсониты (BiVO₄),тейлориты (К ₂ СrО ₄), тридимиты (CsLiSО ₄),лангбейниты (K₂Cd₂SO₄), двойные тригональныемолибдаты и вольфраматы [KFe(MoO₄)₂], редкоземельныепентафосфаты (LaP₅ О ₁₄), фресноиты (Ba₂TiGe₂ О ₈),дителлуриты (SrTe₂ О ₅), семейство K₄Zn(MoO₄)₃,С. с водородными связями Н ₃ ВО ₃, KH₃(SeO₃)₂,перовскиты (KMnF₃) и эльпасолиты (Cs₂NaNdCl₆),каломель (Hg₂Cl₂).

Свойства С., и особенно С.-сегнетоэлектриков, обусловливают их применение. <Напр., на основе редкоземельных молибдатов, в частности молибдата гадолиния, <разработаны акустоэлектронные устройства, в к-рых используется взаимодействиераспространяющейся акустич. волны с одиночной доменной стенкой или с регулярнойполидомённой структурой. Они управляются электрич. полем или механич. напряжением. <С. обладают высокой акустооптич. эффективностью (см. Акустооптика). Сегнетоэластич. фазовые переходы испытывают многие кристаллы - высокотемпературныесверхпроводники, а также ионные суперпроводники.

Лит.:Aizu К., Possible species of «ferroelastic» crystals andof simultaneously ferroelectric and ferroelastic crystals, «J. Phys. Soc.Japan», 1969, v. 27, p. 387; J a n о v e с V., D v о f и k V., Pe t z e 1 t J., Symmetry classification and properties of equi-translationstructural phase transitions, «Czech. J. Phys.», 1975, v. B25, p. 1362;Фазовые переходы в кристаллах галоидных соединений АВХ ₃. Кристаллохимия, <структурные и магнитные превращения, Новосиб., 1981; Изюмов Ю. А., СыромятниковВ. Н., Фазовые переходы и симметрия кристаллов, М., 1984; Материалы I -IV Всесоюзных семинаров по физике сегнетоэластиков, «Изв. АН СССР. Сер. <физ.», 1979, т. 43, №8, с. 1553; 1983, т. 47, № 3, с. 417; 1986,т. 50, № 2, с. 310; 1989, т. 53, № 7, с. 1233. Н. Р. Иванов.