К активным диэлектрикам относятся  п и р о э л е к т р и к и, т.е. диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток.

Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария-стронция, триглицинсульфат — ТГС, ниобат и танталат лития. Пироэлектрический эффект проявляется также в поляризованной, т.е. подвергнутой действию постоянного электрического поля, сегнетокерамике, а также у некоторых полимеров, например у поляризованных поливинилденфторида и поливинилиденхлорида.

Отметим наиболее важные группы пироэлектриков. К первой группе относятся сегнетоэлектрики. Однако для использования их пироэлектрических свойств они должны быть монодоменизированы. В свою очередь монодоменизация может быть достигнута в процессе выращивания сегнетоэлектриков или другими способами, включая температурную поляризацию. К важнейшим пироэлектрикам этого класса материалов относится триглицинсульфат ТГС и изоморфные ему соединения со специальными добавками для монодоменизации, ниобат и танталат лития, тонкие пленки нитрата калия в сегнетофазе, керамические титанат свинца и цирконат–титанат свинца с различными добавками. Все эти материалы являются нелинейными диэлектриками, в которых пирокоэффициент, обусловленный первичным пироэффектом, достигает максимума вблизи точки Кюри.

Вторая группа пироэлектриков – это линейные пироэлектрики, направление спонтанной поляризации в которых одинаково по всему объему кристалла и не может быть изменено электрическим полем. Спонтанная поляризация Рс в таких кристаллах не снимается до нуля, как в сегнетоэлектриках. К таким пироэлектрикам относятся соединения типа АIIBVI со структурой вюрцита, например, монокристаллы CdS, а также сульфат лития, тетраборат лития и др. В пирокоэффициентах этих кристаллов наблюдается существенный вклад не только от первичного, но и от вторичного пьезоэффекта.

К третьей группе относятся пленочные полярные полимеры типа ПВДФ, которые весьма перспективны благодаря возможности получения из них тонких, эластичных, прочных пленок. Пироэлектрические свойства пленка приобретает  после ее растяжения в 3¸5 раз  и поляризации при температуре около 1300С в поле порядка 1 МВ/см.  Некоторые сравнительные характеристики  ряда важнейших пироэлектриков приведены в таблице (по Резу И.С. и Поплавко Ю. М).

                                                                                      

Материал

Р,

мкКл/(м2К)

e

tg d

P/e

Сульфат лития

100

10

10–3

10

Танталат лития

180

45

10–3

4.0

Пьезокерамика  ЦТСЛ

400

400

5×10–2

1.0

Пленка ПВДФ

35

6.2

10–2

5.7

ПВДФ трифторэтилена

50

5.3

10–2

4.5

ТГС

330

30

5×10–3

11

l-ДАТГСФ

395

30

3×10–3

13

 

Примечание. ПВДФ – поливинилиденфторид; ТГС – триглицинсульфат; l–ДАТГСФ – дейтерированный ТГС, легированный l–аланином и фосфорной кислотой.

 

Отличительной особенностью пироприемников, предназначенных для регистрации теплового и электромагнитного излучений, является низкий коэффициент шумов и широкий спектральный диапазон излучений на частотах 1010¸1020 Гц (от сантиметровых волн до g-лучей). Так как пироэлектрики реагируют только на переменную часть потока излучения, то модуляция потока может достигать 106 Гц. Диапазон регистрируемых мощностей излучения от 10–9 до 1020 Вт.

Пироэлектрические детекторы применяются для исследования пучков нейтронов, протонов и дейтронов в экспериментах по термоядерному синтезу, для изучения импульсного и стационарного g и рентгеновского излучений и как измерители мощности и энергии лазеров оптического диапазона, включая УФ и ИК.

В измерительной технике пироэлектрические приемники применяются в виде тепловых приемников, построенных по модели абсолютно черного тела. Измерительные приемники излучений, построенные в виде матриц, состоящих из 103¸105 элементов, позволяют исследовать пространственное распределение излучений.

Пироэлектрики находят применение в тепловидении (инфракрасном или радиационном), имеющем большое значение в медицине и технике. Пироконы (пироэлектрические видиконы тепловые  передающие телевизионные трубки) применяются для контроля многообразных технологических процессов. Приведем краткий перечень возможных применений видиконов:

Ø     оценка состояний высоковольтных линий передачи по данным вертолетной ИК -  съемки;

Ø     проверка однородности изоляции мощных электрических машин;

Ø     автоматизированный  технологический контроль электронных компонентов – (конденсаторов, резисторов, СБИС) под нагрузкой;

Ø     применение пироконов в медицине для диагностики глубинных латентных воспалительных процессов  и т.п.;

Ø     изучение характеристик излучения лазеров;

Ø     ИК картрирование Земли с ИСЗ, планет и комет с космических  зондов и т.п.

В теплометрии преобразователи на пироэлетриках для измерения температуры, теплоемкости, теплопроводности, теплообмена и т.д. имеют предельную чувствительность порядка 10 –7 К.

Использование электрокалорического эффекта (эффект обратный пироэффекту) дает возможность получить низкие температуры в интервале температур от жидкого азота до фреоновых температур при использовании сегнетоэлектрических материалов. Рекордные величины электрокалорического эффекта  (2,6оC) вблизи ФП наблюдались в антисегнетоэлектрической керамике системы цирконат–станнат–титанат свинца и в керамике скандониобата свинца. Не исключается вероятность разработки пироэлектрического многокаскадного преобразователя  с КПД цикла порядка 10% при ожидаемом энергосъеме до 2 кВт/л энергоносителя, что в будущем создаст реальную конкурентоспособность классическим энергоустановкам.