La piezocerámica (cerámica ferroeléctrica inglesa) es un material artificial con propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas , que tiene una estructura policristalina .
Las piezocerámicas no pertenecen a los tipos clásicos de cerámica, ya que no contienen material arcilloso. Los materiales piezocerámicos se sintetizan a partir de óxidos metálicos. Sin embargo, el uso de una técnica característica de la tecnología cerámica -la cocción a alta temperatura- justifica la adscripción de los materiales piezocerámicos a la familia cerámica. "Piezo" (del griego "piezo" - presionar) indica que este tipo de cerámica tiene una propiedad especial: el efecto piezoeléctrico.
En comparación con los piezoeléctricos de un solo cristal, los piezocerámicos se distinguen por su capacidad de fabricación, bajo costo y propiedades piezoeléctricas y dieléctricas pronunciadas. Es posible fabricar productos de cualquier forma a partir de piezocerámicas: placas, discos, cilindros, tubos, esferas, etc., que son extremadamente difíciles o imposibles de fabricar a partir de monocristales. Las piezocerámicas se utilizan ampliamente para crear sensores de aceleración y presión, piezómetros de ondas de choque, potentes emisores de ondas de choque y ultrasonido , piezotransformadores, filtros de piezorresonancia y líneas de retardo. Las piezocerámicas son resistentes a la humedad, el estrés mecánico y las influencias atmosféricas.
En términos de propiedades físicas, una piezocerámica es una ferroeléctrica policristalina, que es un compuesto químico o una solución sólida (polvo) de granos (cristalitos). Los tamaños de cristalitos suelen ser de 2 a 100 µm . Cada cristalito es un cristal ferroeléctrico . Las piezocerámicas tienen todas las propiedades inherentes a las ferroeléctricas cristalinas. En términos de composición química, las piezocerámicas son un óxido complejo, que generalmente incluye iones divalentes de plomo o bario , así como iones tetravalentes de titanio o circonio . Cambiando la proporción de los materiales de partida e introduciendo varios aditivos, se sintetizan composiciones piezocerámicas que tienen ciertas características electrofísicas y piezoeléctricas. La mayoría de las composiciones de piezocerámicas se basan en compuestos químicos con una estructura cristalina de tipo perovskita con la fórmula ABO 3 (por ejemplo, ВаТiO 3 , РbTiO 3 , LiNbO 3 ) y varias soluciones sólidas basadas en ellos (por ejemplo, sistemas ВаТiO 3 - СаТiO 3 ; ВаТiO 3 - СаТiO 3 - CoCO 3 ; NaNbO 3 - KNbO 3 ). Particularmente ampliamente utilizadas como piezoeléctricos son las composiciones del sistema de titanato de circonato de plomo (PZT o PZT) PbTiO 3 - PbZrO 3 ( "Piezoceramics" en la enciclopedia universal de Cirilo y Metodio ).
La base de la mayoría de los materiales piezocerámicos modernos son soluciones sólidas de titanato - circonato de plomo (PZT, PZT), modificadas con varios componentes y aditivos. También se fabrican materiales piezocerámicos a base de titanato de bario (TB), titanato de plomo (TS), metaniobato de plomo (MNS), titanato de bismuto (TV), etc.
Por primera vez, un material piezocerámico fue sintetizado en 1944 por el científico soviético B. M. Vul , quien descubrió las propiedades ferroeléctricas del titanato de bario ВаТiO 3 . Casi simultáneamente, investigadores estadounidenses y japoneses descubrieron estas propiedades del titanato de bario.
Los siguientes grados de piezocerámica se han desarrollado y producido en Rusia:
En el estado inicial, la polarización de los elementos piezocerámicos es cero, ya que cada cristalito está dividido en dominios y tiene una dirección aleatoria del eje cristalográfico . Cuando se aplica un campo eléctrico externo que excede un cierto valor, llamado campo coercitivo, las direcciones de polarización de los cristalitos se alinean en la dirección más cercana posible a la dirección del campo de polarización. Las piezocerámicas polarizadas tienen propiedades piezoeléctricas pronunciadas.
Los fabricantes extranjeros, según las propiedades piezoeléctricas, lo dividen en ferroduro y ferroblando. En la práctica doméstica, existe una división adicional: cerámica de ferrorigidez media. También se aíslan materiales altamente estables, de alta temperatura, etc.
El valor del módulo piezoeléctrico d33 alcanza varios cientos de pC/N. Las piezocerámicas se caracterizan por altos valores de permitividad relativa .
La calidad de las piezocerámicas se caracteriza por los siguientes parámetros principales aceptados en el extranjero:
K T 33 (e T 33 /e 0 ) - permitividad relativa;
tg d es la tangente de pérdida dieléctrica a una frecuencia de 1 kHz en campos débiles;
Tc ( Tk ) es la temperatura del punto de Curie ;
K p K 33 K 31 K 15 - coeficientes de acoplamiento electromecánicos;
d 33 -d 31 d 15 - módulos piezoeléctricos;
g 33 g 31 g 15 - coeficientes de tensión eléctrica;
YE 11 YE 33 - Módulos de Young ;
N L N T N R son constantes de frecuencia;
S E 11 S E 33 - parámetro de elasticidad;
r es la densidad;
Q m - factor de calidad mecánica.