Pietsokeramiikka (englanniksi ferroelectric ceramic) on keinotekoinen materiaali, jolla on pietsosähköisiä ja ferroelektrisiä ominaisuuksia ja jolla on monikiteinen rakenne.
Pietsokeramiikka ei kuulu klassisiin keramiikkatyyppeihin, koska se ei sisällä savimateriaalia. Pietsokeraamiset materiaalit syntetisoidaan metallioksideista. Keramiikkateknologialle ominaisen tekniikan - poltto korkeassa lämpötilassa - käyttö kuitenkin oikeuttaa pietsokeraamisten materiaalien liittämisen keramiikkaperheeseen. "Piezo" (kreikan sanasta "piezo" - painaa) osoittaa, että tämän tyyppisellä keramiikalla on erityinen ominaisuus - pietsosähköinen vaikutus.
Yksikiteisiin pietsosähköisiin verrattuna pietsokeramiikka erottuu niiden valmistettavuudesta, alhaisista kustannuksista ja selvästä pietsosähköisistä ja dielektrisistä ominaisuuksista. Pietsokeramiikasta on mahdollista valmistaa minkä tahansa muotoisia tuotteita - levyjä, kiekkoja, sylintereitä, putkia, palloja jne., joita on erittäin vaikea tai mahdoton valmistaa yksittäiskiteistä. Pietsokeramiikkaa käytetään laajalti kiihtyvyys- ja paineanturien, iskuaaltopietometrien, tehokkaiden ultraääni- ja iskuaaltosäteilijöiden, pietsomuuntajien, pietsoresonanssisuodattimien ja viivelinjojen luomiseen. Pietsokeramiikka kestää kosteutta, mekaanista rasitusta ja ilmakehän vaikutuksia.
Fysikaalisten ominaisuuksien osalta pietsokeramiikka on monikiteinen ferrosähköinen aine, joka on kemiallinen yhdiste tai kiinteä liuos (jauhe) rakeista (kiteistä). Kiteiden koot ovat yleensä 2-100 µm . Jokainen kristalliitti on ferrosähköinen kide . Pietsokeramiikka sisältää kaikki kiteiselle ferrosähköiselle materiaalille ominaiset ominaisuudet. Kemiallisen koostumuksen suhteen pietsokeramiikka on monimutkainen oksidi, joka sisältää yleensä kaksiarvoisia lyijy- tai bariumioneja sekä neliarvoisia titaani- tai zirkoniumioneja . Muuttamalla lähtöaineiden suhdetta ja lisäämällä erilaisia lisäaineita syntetisoidaan pietsokeraamisia koostumuksia, joilla on tietyt sähköfysikaaliset ja pietsosähköiset ominaisuudet. Useimmat pietsokeramiikan koostumukset perustuvat kemiallisiin yhdisteisiin, joilla on perovskiittityyppinen kiderakenne ja joiden kaava on ABO 3 (esim. ВаТiO 3 , РbTiO 3 , LiNbO 3 ) ja erilaisiin niihin perustuviin kiinteisiin liuoksiin (esimerkiksi järjestelmät ВаТiO 3 - СаТiO 3 ; ВаТiO 3 - СаТiO 3 - CoCO 3 ; NaNbO 3 - KNbO 3 ). Erityisen laajasti pietsosähköisinä aineina käytetään lyijysirkonaatti -titanaattijärjestelmän (PZT tai PZT) PbTiO 3 - PbZrO 3 koostumuksia ( "Piezoceramics" Cyrilin ja Methodiuksen yleisessä tietosanakirjassa ).
Useimpien nykyaikaisten pietsokeraamisten materiaalien perustana ovat kiinteät titanaatti-lyijysirkonaattiliuokset (PZT, PZT), joita on modifioitu erilaisilla komponenteilla ja lisäaineilla. Pietsokeraamisia materiaaleja valmistetaan myös bariumtitanaattiin (TB), lyijytitanaattiin (TS), lyijymetaniobaattiin (MNS), vismuttititanaattiin (TV) jne.
Ensimmäisen kerran pietsokeraamisen materiaalin syntetisoi vuonna 1944 Neuvostoliiton tiedemies B. M. Vul , joka löysi bariumtitanaatin ВаТiO 3 ferrosähköiset ominaisuudet . Amerikkalaiset ja japanilaiset tutkijat löysivät lähes samanaikaisesti nämä bariumtitanaatin ominaisuudet.
Venäjällä on kehitetty ja valmistettu seuraavat pietsokeramiikkalajit:
Alkutilassa pietsokeraamisten alkuaineiden polarisaatio on nolla, koska jokainen kristalliitti on jaettu domeeneihin ja sillä on kristallografisen akselin satunnainen suunta. Kun käytetään ulkoista sähkökenttää , joka ylittää tietyn arvon, jota kutsutaan koersitiivikentältä, kristalliittien polarisaatiosuunnat ovat linjassa suuntaan, joka on mahdollisimman lähellä polarisoivan kentän suuntaa. Polarisoidulla pietsokeramiikalla on selvät pietsosähköiset ominaisuudet.
Ulkomaiset valmistajat jakavat sen pietsosähköisistä ominaisuuksista riippuen ferrokovaan ja ferro-pehmeään. Kotimaisessa käytännössä on lisäjako - keskitason ferrojäykkyys keramiikka. Erittäin vakaat, korkean lämpötilan jne. materiaalit on myös eristetty.
Pietsosähköisen moduulin d33 arvo saavuttaa useita satoja pC/N. Pietsokeramiikalle on ominaista korkeat suhteelliset permittiivisyysarvot .
Pietsokeramiikan laadulle on tunnusomaista seuraavat ulkomailla hyväksytyt pääparametrit:
K T 33 (e T 33 /e 0 ) - suhteellinen permittiivisyys;
tg d on dielektrisen häviön tangentti taajuudella 1 kHz heikoissa kentissä;
T c (T k ) on Curie-pisteen lämpötila ;
K p K 33 K 31 K 15 - sähkömekaaniset kytkentäkertoimet;
d 33 - d 31 d 15 - pietsosähköiset moduulit;
g 33 g 31 g 15 - sähköjännitekertoimet;
Y E 11 Y E 33 - Youngin moduulit ;
N L N T N R ovat taajuusvakioita;
S E 11 S E 33 - elastisuusparametri;
r on tiheys;
Q m - mekaaninen laatutekijä.