Пьезокера́мика (англ. ferroelectric ceramic) — искусственный материал, обладающий пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами, имеющий поликристаллическую структуру.

Пьезокерамика не принадлежит к классическим видам керамики, поскольку в её состав не входит глинистое вещество. Пьезокерамические материалы синтезируются из окислов металлов. Однако применение характерного для керамической технологии приёма — обжига при высокой температуре — оправдывает отнесение пьезокерамических материалов к семейству керамики. "Пьезо" (от греческого «пиезо» — давить) указывает на то, что этому виду керамики присуще особое свойство — пьезоэлектрический эффект.

По сравнению с монокристаллическими пьезоэлектриками, пьезокерамики отличаются технологичностью, дешевизной и выраженностью пьезоэлектрических и диэлектрических свойств. Из пьезокерамики можно изготавливать изделия любой формы — пластины, диски, цилиндры, трубки, сферы и т. п., которые чрезвычайно сложно или невозможно изготавливать из монокристаллов. Пьезокерамика широко используется для создания датчиков ускорений, давлений, пьезоотметчиков ударных волн, мощных излучателей ультразвука и ударных волн, пьезотрансформаторов, пьезорезонансных фильтров, линий задержки. Пьезокерамики стойки к действию влаги, к механическим нагрузкам и атмосферным воздействиям.

По физическим свойствам пьезокерамика — это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твёрдый раствор (порошок) зёрен (кристаллитов). Размеры кристаллитов обычно от 2 до 100 мкм . Каждый кристаллит представляет собой сегнетоэлектрический кристалл . Пьезокерамики обладают всеми свойствами, присущими кристаллическим сегнетоэлектрикам. По химическому составу пьезокерамика — сложный оксид, обычно включающий ионы двухвалентного свинца или бария , а также ионы четырёхвалентного титана или циркония . Изменяя соотношения исходных материалов и вводя различные добавки, синтезируют составы пьезокерамики, обладающие определёнными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками. Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с кристаллической структурой типа перовскита с формулой АВО ₃ (например, ВаТiO ₃ , РbTiO ₃ , LiNbO ₃ ) и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы ВаТiO ₃ — СаТiO ₃ ; ВаТiO ₃ — СаТiO ₃ — СоСO ₃ ; NaNbO ₃ — KNbO ₃ ). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектриков составы системы цирконата-титаната свинца (ЦТС или PZT) PbTiO ₃ — PbZrO ₃ ( ).

Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют твёрдые растворы титаната — цирконата свинца (ЦТС, PZT), модифицированные различными компонентами и добавками. Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария (ТБ), титаната свинца (ТС), метаниобата свинца (МНС), титаната висмута (ТВ) и др.

Впервые пьезокерамический материал был синтезирован в 1944 г. советским учёным Б. М. Вулом , обнаружившим сегнетоэлектрические свойства титаната бария ВаТiO ₃ . Практически одновременно эти свойства титаната бария были обнаружены американскими и японскими исследователями.

В России разработаны и производятся следующие марки пьезокерамик:

• ЦТС-19;
• ЦТС-36 (ПКР-1);
• ЦТС-21;
• ПКР-61.

В исходном состоянии поляризация пьезокерамических элементов равна нулю, поскольку каждый кристаллит разбит на домены и имеет случайное направление кристаллографической оси. При приложении внешнего электрического поля , превышающего определённую величину, называемую коэрцитивным полем, направления поляризации кристаллитов выстраиваются в направлении максимально близком к направлению поляризующего поля. Поляризованная пьезокерамика обладает ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами.

Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят её на сегнетожёсткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление — керамика средней сегнетожёсткости. Также выделяют высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

Величина d33 достигает нескольких сотен пКл/Н. Пьезокерамика характеризуется высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости .

Качество пьезокерамики характеризуют следующими, принятыми за рубежом, основными параметрами:

K ^T ₃₃ (e ^T ₃₃ /e ₀ ) — относительная диэлектрическая проницаемость;

tg d — тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 кГц в слабых полях;

T _c (T _k ) — температура точки Кюри ;

K _p K ₃₃ K ₃₁ K ₁₅ — коэффициенты электромеханической связи;

d ₃₃ -d ₃₁ d ₁₅ — пьезоэлектрические модули;

g ₃₃ g ₃₁ g ₁₅ — электрические коэффициенты по напряжению;

Y ^E ₁₁ Y ^E ₃₃ — модули Юнга ;

N _L N _T N _R — частотные постоянные;

S ^E ₁₁ S ^E ₃₃ — параметр эластичности;

r — плотность;

Q _m — механическая добротность.

Литература

• Физическая энциклопедия : в 5 т. / Главный редактор А. М. Прохоров. — М. : Советская энциклопедия, 1988.
• Глозман И. А. Пьезокерамика. — 2-е изд. — М. , 1972.
• Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. — М. , 1974.
• Окадзаки К. Технология керамических диэлектриков. — М. , 1976.
• Gene H. Haertling. // Journal of the American Ceramic Society. — 1999. — No. 82 [4] 797—818.
• Жуков С . // Компоненты и технологии. — 2001. — № 1. — С. 48-51.