مواد پیشرفته

مقدمه

مواد پیشرفته(به انگلیسی: Advanced Materials) به دسته ای از مواد اطلاق می‌شود که دارای خواصی بسیار برتر از مواد معمولی هستند. از این خواص می‌توان به چقرمگی، سختی، دوام و الاستیسیته بالا اشاره کرد. این گروه دارای ویژگی‌های خاص مانند قابلیت حفظ کردن شکل (آلیاژهای حافظه دار) هستند که در حقیقت با درک تغییرات محیط، عکس‌العمل نشان می‌دهند. استفاده از این گونه مواد در ساخت ایمپلنت‌ها و تراشه‌های کامپیوتری بسیار توسعه یافته‌است. به‌طور کلی مواد پیشرفته در گروه‌های متفاوتی از قبیل سرامیک‌های مدرن، آلیاژهای فلزی، نیمه هادی‌ها، بیو مواد (سرامیکی و فلزی)، مواد متخلخلل (فیلترهای سرامیکی) و… طبقه‌بندی می‌شود. در این مقاله به بررسی یک شاخه از مواد پیشرفته تحت عنوان سرامیک‌های پیشرفته در حوزه‌های مختلف مانند آزمون‌های غیر مخرب، بایو سرامیک‌ها، استانداردها و دستورالعمل‌های طراحی و… پرداخته می‌شود.

پودرها

حضور ناخالصی‌های پرچگال Fe و WC در پودر اولیه برای محصول نهایی سرامیکی بسیار مخرب گزارش شده‌است. روش‌های گوناگون آزمون غیرمخرب می‌تواند برای شناسایی این عیوب بکار برود اما تکنیک تصویربرداری میکروتمرکز پرتو ایکس(Microfocus X-ray Imaging) برای شناسایی این عیوب پرچگال مناسب است.

عیوب داخلی

بهترین روش آزمون غیرمخرب پیشرفته برای شناسایی عیوب داخلی مانند حفرات، ناخالصی‌ها یا غلظت چگالی غیر یکنواخت روش تصویر برداری ترموگرافی محاسباتی پرتو ایکس(X-ray Computed Tomographic Imaging(XCT)) گزارش شده‌است. شکل زیر دیاگرام یک نوع خاص از دستگاه XTC که برای شناسایی سرامیک‌های سازه ایی مورد استفاده قرار می‌گیرد را نشان می‌دهد:

خزش یک نگرانی در حوزه سرامیک‌های یکپارچه، وقتی در دمای بالا کار می‌کنند است. شناسایی خزش توسط آزمون غیرمخرب یکی از زمینه‌های مورد علاقه است. آزمون‌های مورد استفاده در این زمینه شامل نور برگشتی لیزر(Backscatter Laser Light)یا همان پراش نوری الاستیک و روش آلتراسونیک(Ultrasonic Method) است که به آن‌ها پرداخته می‌شود.

پراش نوری الاستیک

استفاده از نوربرگشتی لیزر برای تشخیص خزش در حال توسعه است. این روش شبیه تکنولوژی آلتراسونیک کلاسیک، تنها بجای برخورد امواج صوتی بر سطح نمونه، نور لیزر برخوردی به نمونه عمق ماده را پویش می‌کند. همانند حالت C-اسکن در آزمون آلتراسونیک، داده‌ها به شکل تصاویر سیاه/سفید از قسمت نمونه مورد بررسی حاصل می‌شوند.

روش آلتراسونیک

شناسایی آسیب‌های خزشی در روش آلتراسونیک با استفاده از اندازه‌گیری دقیق سرعت آلتراسونیک مورد مطالعه قرار می‌گیرد زیرا خزش خواص الاستیک ماده را و سرعت صوتی را تغییر می‌دهد. شکل زیر نتیجه بررسی نمونه خزش یافته Si3N4 با امواج طولی آلتراسونیک را نشان می‌دهد که در دمای ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد به مدت ۲۰۰ ساعت تحت تنش‌های مختلف خزشی قرار داشته‌است.

بیوسرامیک‌ها

علاقه‌مندی به استفاده از سرامیک‌ها برای کاربردهای بیولوژیکی به دلیل سختی بالا، مقاومت به خزش، روانکاری خوب و اصطکاک پایین است. چهار ماده سرامیکی که هم‌اکنون مورد استفاده قرار می‌گیرید شامل آلومینا، زیرکونیا، تتراکلسیم بتا و کلسیم هیدروکسی آپاتیت است. از این رو شناسایی عیوب این مواد از طریق غیر مخرب بسیار مهم است که روش‌های بحث شده کاربردی در این زمینه‌اند.

اطلاعات در حین فرایند

برای بیشتر سرامیک‌های کامپوزیتی مرحله فرایند را برای بررسی انتخاب می‌کنند زیرا امکان استفاده از کوپل مایع برای آزمون آلتراسونیک وجود ندارد و این به دلیل این است که جذب آب، خود را می‌تواند به عنوان یک عیب نشان دهد. از این رو تکنیک‌های مورد استفاده برای این آزمون شامل روش غیر تماسی مانند آلتراسونیک با کوپل هوا (Air-coupled ultrasonic)، تصویربرداری حرارتی(Thermal imaging)، تصویربرداری پرتو ایکس از مدالاسیون‌های مختلف(X-ray imaging of various modilities)، یا روش‌های محدود تماسی مانند آلتراسونیک صوتی(Acousto-ultrasonic) و روش‌های رزوناسنی است.

تصویربرداری حرارتی

روش تصویربرداری حرارتی اخیراً با بکارگیری شناساگرهای آرایه‌ایی با صفحه کانونی قدرتمند(high-performance focal-plane array detectors) بروز رسانی شده‌است. این روش فرض می‌کند که صفحه جلویی نمونه لحظه‌ایی حرارت می‌بیند. میزان نرخ هدایت حرارتی در نمونه به نفوذ حرارتی ماده مربوط است که با تعیین اندازه نرخ افزایش دما در صفحه پشتی نمونه بدست می‌آید. نمودار زیر که بر حسب دمای صفحه پشتی نمونه(T) با زمان(t) به ضخامت نمونه (L) جایی که TM بیشترین دمای صفحه پشتی است به صورت تئوری پیش‌بینی شده‌است:
یک روش برای تعیین نفوذ حرارتی روش نیمه زمانی افزایشی(half-rise-time) T1/2 است. وقتی که نسبت T به TM به نصف برسد(T/TM=۰٫۵)، نفوذ حرارتی (α)، با فرمولα = 1.37L^۲/π^2t1.۲ بدست می‌آید. میزان دقت این روش را می‌توان با استاندارد تنظیم کرد.

آلتراسونیک با کوپل هوا

این روش به نسبت روش‌های دیگر تقریباً جدید است که با پیشرفت در پیزوالکتریک‌ها و سیگنال‌های دیجیتالی بسیار کاربرپسندتر شده‌است. روش به این صورت است که وقتی یک موج صوتی در ماده نفوذ می‌کند توسط عیوب پراکنده می‌شوند. ناحیه شامل عیوب (مانند حفرات و مناطق لایه لایه شده) با اندازه‌های مختلف سیاه/سفید، بر روی عکس نمایان می‌شوند.

اثر رزونانس صوتی

در بسیاری از کاربرد کامپوزیت‌های سرامیکی، رفتار میرایی و فرکانس رزوناسن مهم است. در کل دو روش اصلی برای تعیین فرکانس رزونانس یک ترکیب یا زیرترکیب(subcomponent) می‌توان به کار بست که شامل تحرک پیوسته با فرکانس روبش شده در حالی که لرزش ترکیب اندازه‌گیری می‌شود یا با استفاده از تحرک تأثیر تند همراه با یک روش برای شناسایی لرزش‌های ایجاد شده‌است. شکل زیر شماتیک دیاگرام یکی از روش‌های رزونانس صوتی را نشان می‌دهد.

شناسایی عیب لایه لایه‌شدگی

شناسایی این نوع عیب در کامپوزیت‌های سرامیکی به چندین روش انجام می‌شود که انتخاب روش بستگی به زمینه کامپوزیت و مواد آن (مانند اکسیدی یا غیر اکسیدی)، حضور پوشش‌های محافظ و اندازه قطعه دارد. تشخیص این عیب در ذوب نفوذ(MI) SiC/SiC، نفوذ بخار شیمیایی(CVI) SiC/SiC، فرایند اشباء سازی پلیمری(PIP) SiC/SiC ,C/SiC(CVI), C/C و اکسیدهای نفوذی سل-ژل اثبات شده‌است که با روش تصویربرداری حرارتی و آلتراسونیک با کوپل هوا قابل بررسی است.

شناسایی تخلخل‌ها

اکثر سرامیک‌های کامپوزیتی برای استفاده در دمای بالا طراحی شده‌اند. خواص حرارتی و همگنی آن در داخل ترکیب مهم ارزیابی می‌شود و نواحی با تخلخل بالا یک مشکل به حساب می‌آیند. شناخت این عیوب با چندین روش آزمون غیر مخرب قابل بررسی است از جمله روش آلتراسونیک با کوپل هوا، روش‌های تصویر برداری حرارتی و XTC.

تعیین اثر آسیب بر قطعه (توسط جسم خارجی)

FOD می‌تواند بر روی هر ترکیبی رخ دهد که تا به امروز تلاش‌های محدودی برای گسترش روش‌های غیر مخرب آن انجام شده‌است. اخیراً تعیین عیب FOD با دو روش تصویر برداری حرارتی و آلتراسونیک با کوپل هوا انجام شده‌است. این درحالی است که بازرسی چشمی(VI) قطعه، آسیب‌های محدودی از سطح قطعه را نشان می‌دهد و نمی‌تواند عمق و میزان آسیب را تعیین کند.

شناسایی ترک در راستای ضخامت

در شناسایی این عیب نیز روش تصویربردای حرارتی و آلتراسونیک با کوپ هوا استفاده می‌شود.

استانداردها

استانداردها را می‌توان به دو دسته استانداردهای ملی و بین‌المللی تقسیم کرد که در ادامه به آن پرداخته می‌شود.

ملی

گفتنی است که بیشتر کشورهای توسعه یافته دارای حداقل یک استاندارد ملی هستند. در سازمان جهانی استانداردسازی(ISO) حدود ۱۳۰ سازمان ملی حاوی استاندارد ملی وجود دارد. در ادامه به بعضی از آن‌ها پرداخته می‌شود.

ایالات متحده آمریکا

ایالات متحده تنها کشوری هست که سازمان‌های استاندارد ملی آن تحت حمایت دولت مردان این کشور نیستند. بنیاد استاندارد و تکنولوژی(National Bureau of Standards) که به عنوان NIST شناخته می‌شود در حوزه مواد پیشرفته فعالیت دارد. همچنین، این بنیاد مواد مرجع استاندارد(SRMs) که برای کالیبراسیون دستگاه‌ها استفاده می‌شود را نیز تعیین می‌کند.

انجمن مواد و آزمایش آمریکا(ASTM)

این انجمن بیشترین نیاز استانداردسازی در حوزه مواد پیشرفته را برطرف می‌کند. این کمیته شامل چندین زیر کمیته برای اجرای این فرایند است. برا نمونه، کمیته C28 شامل چندین زیر کمیته مانند C28/07 کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی هست.

آسیا

در آسیا مانند اروپا نیز یک سازمان برای نظارت بر استانداردهای کشورهای صنعتی مانند JISC (ژاپن)، CAS(چین)، SA(استرالیا)، BSN(اندونزی) و KSI(کره) نظارت دارد.

استاندارد JISC برای مواد پیشرفته

JISC دارای سه حوزه مواد یا محصولات (شکل، اندازه، ظاهر و غیره)، اقدام یا روش (نحوه اجرا، پروسه یا روش) و موارد بنیادی (واحدها، کلمات فنی، شرایط گزاری آزمون، دسته‌بندی و غیره). شکل زیر نشان دهنده دسته‌بندی‌های این استاندارد است که بعضاً به‌طور مستقیم با مواد پیشرفته در ارتباط هستند:

سرامیک‌های غیرقابل جذب (تقریباً زیست خنثی)

سرامیک‌های زیست خنثی پس از قرارگیری در بدن میزبان خواص فیزیکی و مکانیکی خود را حفظ می‌کند. این دسته از مواد مقاوم به سایش و خوردگی هستندو کلیهٔ خواص بیو سرامیک‌ها از قبل غیر سمی بودن و… را دارا می‌باشند. سرامیک‌های زیرکونیا از جمله سرامیک‌های زسیت خنثی می‌باشند.

سرامیک‌های زیست فعال یا واکنش پذیر در سطح (نیمه خنثی)

سرامیک‌هایی با فعالیت سطحی پس از کاشت در بدن میزبان (با استخوان واکنش داده و اتصال شیمیایی ایجاد می‌کند). از جملهٔ این سرامیک‌ها می‌توان به شیشه سرامیک‌های بیو اکتیو اشاره کرد.

کلسیم فسفات

سیمان‌های استخوانی کلسیم فسفات بهترین جایگزین بافت سخت هستند. کلسیم فسفات‌ها ترکیباتی هستند که توسط بدن در فرایند استخوان سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد در شکل‌هایی نظیر بلوک‌های متخلخل یا متراکم یا سیمان به عنوان بهترین جایگزین بافت استخوانی مورد استفاده هستند. سیمان‌های کلسیم فسفاتی از دو قسمت پودری و مایع تشکیل شده‌است که پس از اختلاط یا یکدیگر به صورت خمیر هموژن در می‌آیند که می‌تواند در دمای اتاق و بدن سفت شود. این سیمان‌ها قادر به پر کردن هر گونه ضایعهٔ استخوانی هستند. مزایای استفاده از سیمان‌های کلسیم فسفاتی عبارت است از :زیست سازگاری، زیست تخریب پذیری بالا، قابلیت تزریق و….

زیرکونیا و آلومینا

زیرکونیا و آلومینا زیرکونیای خالص از تبدیل شیمیایی زیرکون به دست می‌آید زیرکونیا از طریق فرایند رسوب دهی ماده معدنی زیرکون که به فراوانی در طبیغت موجود است به دست می‌آید. در یک بررسی صورت گرفته ۶ درصد مولی Y₂O₃ به عنوان ناخالصی به زیرکونیا اضافه شده‌است؛ و زیرکونیای نسبتاً پایدار به دست آمده برای کاشت در استخوان مورد استفاده قرار گرفته‌است. زیرکونیا در ترکیب با پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق‌العاده زیاد، زیست سازگاری عالی و اصطکاک و مقاومت بسیار عالی نشان داده شده‌است.
آلومینا ماده ای سرامیکی با سختی بالا و اصطکاک پایین است که در مجیط درون تن خنثی است. کلیهٔ این خواص آلومینا را به یک مادهٔ مناسب به عنوان جایگزین مفصل بدل کرده‌است. یکی از کاربردهای متداول اکسید آلمینیوم در پروتزهای ران است.

زیست مواد پیشرفته فلزی

فلزات از گذشته تا به امروز به دلیلی دارا بودن برخی از ویژگی‌ها از قبیل خصوصیات مکانیکی عالی، هدایت حرارتی و الکتریکی مناسب به عنوان بیومتریال (زیست مواد) به صورت گسترده مورد استفاده بوده‌است. برخی از فلزات به دلیل خصوصیات مکانیکی و مقاومت بالا در برابر خوردگی به عنوان مواد غیرفعال برای جایگزینی بافت سخت مانند مفصل‌های ران و زانو، کاشتنی‌های دندانی و… بکار برده شده‌است. برخی دیگر از آلیاژهای فلزی برای عملکردهای فعال مانند کاشتنی‌های حلزون گوش مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سرامیک‌های الکترونیکی

عمده‌ترین استفاده از سرامیک‌های پیشرفته در صنایع الکترونیک است که حدود ۶۶ درصد کل مصرف سرامیک‌های پیشرفته را به خود اختصاص می‌دهند.
مهم‌ترین مواد سرامیکی برای کاربردهای الکترونیکی، اکسیدهای خالص یا مخلوطی از اکسیدها هستند که شامل آلومینا، زیرکونیا، سیلیسیا، فیبرها، محافظ‌ها در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، خازن‌ها، تبدیل‌کننده‌ها، القاگرها، ابزارهای پیزواکتریکی و سنسورهای فیزیکی و شیمیایی عمده‌ترین موارد استفاده سرامیک‌های اکترونیکی هستند.

ترمیسترهای PTC(دی الکتریک اکسیدی)

باریم تیتانات BaTio₃یک مادهٔ فروالکتریک با ثابت دی الکتریک بالا و مقاومت عایق بالا است؛ بنابراین، از سال کشفش در سال ۱۹۴۳ در صنعت الکترونیک برای خازن‌های سرامیکی به‌طور گسترده استفاده می‌شود. سرامیک عایق باریوم تیتانات با اضافه کردن مقدار اندکی از اکسیدهای فلزات خاک‌های نادر مانندY₂O₃،La₂O₃ Sm₂O₃،Ce₂O₃به نیمه هادی تبدیل می‌شود. در سال ۱۹۵۵ عدم وابستگی دمایی غیرمعمول مقاومت در بالای دمای کوری نیمه رسانای تولید شده از سرامیک‌های باریوم تیتاناتی کشف گردید.
مقاومت این نیمه هادی که ضریب دمای مثبت (PTC) نیمه رسانا نامیده می‌شود، به‌طور شدیدی در بالای دمای کوری (T_c) افزایش می‌یابد، تا دمای T_(n) که مقاومت به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. دمای مشخص شده به سه ناحیه تقسیم می‌شود (ناحیهٔ I, II و III در شکل ۱) بر اساس رفتار مقاومتی انجام می‌شود.
شکل۱. نواحی دمایی مشخصه در سرامیک‌های PTC
این افزایش شدید در مقاومت در بالای دمای کوری یک کشف بسیار مهم در زمینهٔ کاربردهای عملی ترمیستورها(thermistor) است. این کشف برای تحقیقات بنیادی در زمینهٔ مکانیزم‌های رسانش نیز مهم است.

کاربردهای ترمیستورPTC

ترمیستورهای PTC در محصولات الکترونیکی زیادی مانند تلویزیون‌های رنگی، یخچال‌ها، هیترهای باد گرم و کامپیوترهای شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترمیستورهای NTC

ترمیستورهای با ضریب دمایی منفی(NTC) مواد نیمه رساناهایی هستند که مقاومت آن‌ها با افزایش دما کاهش می‌یابد

کاربردهای ترمیستور NTC

ترمیستورهای NTC به عنوان اصلاح‌کننده دمایی، سنسور دما و وسایل جلوگیری‌کننده از افزایش شدید جریان، مورد استفاده قرار می‌گیرند. تمام این کاربردها بر اساس ویژگی‌های مقاومت- دمایی ترمیستورهای NTC بنا گذاشته شده‌است.
۳. وریستورهای سرامیکی
وریستورهای اکسید فلزی وسایل هستند که دارای نیمه رسانای سرامیکی هستند.
وریستورهای اکسید فلزی عمدتاً در مدارهایی برای حفاظت در برابر نوسانات شدید القایی، نویزهای زود گذر کوتاه یا نوسانات شدید برق به وجود می‌آید استفاده می‌شود. دی الکتریک اکسیدی مانند سرامیک‌های الکتریکی :در خطوط انتقال نیرو، لازم است هادی‌های ولتاژ یه نحوی از برج‌ها ایزوله شوند و برای این کار از مقره‌ها استفاده می‌شود. یا در دکل‌های مخابراتی که مقره‌های دو یا چند شیاره حامل سیم‌های مخابراتی هستند.

تئوری

تمام مواد تحت میدان الکتریکی دچار یک تغییر کوچک در اندازه می‌شوند. اگر کرنش حاصل متناسب با توا ن دوم شدت میدان باشد، این پدیده را اثر الکترواستریکتیو (به انگلیسی: electrostrictive effect) می‌نامند. برخی از مواد پدیده‌ای معکوس را نشان می‌دهند، یعنی هنگامی که تحت یک تنش اعمالی دچار کرنش می‌شوند در آن‌ها یک قطبش الکتریکی پدید می‌آید، به این مواد پیزوالکتریک می‌گویند. با اولین تقریب این قطبش متناسب با تنش است و این اثر مستقیم نامیده می‌شود. مواد پیزوالکتریک یک اثر معکوس نیز از خود نشان می‌دهند، یعنی با اعمال یک میدان الکتریکی، کرنشی (x) متناسب با میدان اعمالی در آن‌ها ایجاد می‌شود. پدیده الکترواستریکشن با رابطه زیر بیان می‌شود:
X = QP²
که در آن Q ضریب الکترواستریکشن نامیده می‌شود.
برای موادی که ɛᵣD است، رابطه P~D برقرار است و بنابراین معادله بالا را می‌توان به صورت زیر نوشت:
X = QD² = Qɛ²E²
از ۳۲ گروه مواد بلوری، ۱۱ گروه دارای مرکز تقارن و غیر قطبی هستند. در این مواد تنش اعمالی به جابه‌جایی تقارن یونی منجر می‌شود، به نحوی که تغییر خالصی در گشتاور دوقطبی مشاهده نمی‌شود. ۲۱ دسته بلوری دیگر نامتقارن هستند که ۲۰ دسته از آن‌ها از خود اثر پیزوالکتریک نشان می‌دهند. تنها یک استثناء در سیستم مکعبی وجود دارد که ویژگی‌های تقارنی آن باعث اثر پیزوالکتریک نمی‌شود.

مقدمه

اولین و پیزوسرامیکی که به‌صورت تجاری ساخته شد  بود. در دهه ۱۹۵۰ مشخص شد که سیستم محلول جامد   که ساختار پروسکایت نیز دارد، فروالکتریک است. امروزه ترکیبات پر استفاده‌ترین پیزوسرامیک‌ها هستند. توصیف خواص و فرایند ساخت که در ادامه به آن اشاره می‌شود، ایده‌های مهمی را برای بحث‌های آتی در مورد بهبود خواص پیزوسرامیک‌ها، شامل  (و سایر پیزوسرامیک‌ها) برای کاربردهای ویژه مطرح می‌کند.

اثر یون‌های جانشین غیر هم‌ظرفیت

چندین نمونه از سیستم‌های اکسیدی که به‌وسیله جانشینی کاتیون‌های چند ظرفیتی کنترل می‌شود. به‌عنوان مثال  می‌تواند جایگزین  در  و به وسیله یک الکترون در نوار هدایت خنثی شود که این باعث رسانایی نوع n می‌شود. اما عموماً مدل‌های سیستم‌های اکسیدی از مدل‌های سیلیسیم پیچیده‌ترند و به مراتب کمتر مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
یک محدودیت مهم در تحقیق حاضر در دسترس نبودن اکسیدهایی است که خلوص آن‌ها مانند بلورهای سیلیسی در حد چند قسمت ناخالصی در ۱۰۹ باشد. اصطلاح خلوص بالا که برای اکسیدها به‌کار می‌رود معمولاً برای ناخالصی‌های کمتر از ۱ در ۱۰۴ اتم به کار می‌رود که عمدتاً فراوان و متداولی مانند منیزیم، آلومینیم، سیلیسیم، فسفر، کلسیم، آهن و مقدار بسیار کمی از عناصر کمیاب مانند نیوبیم، تنتالم، سریم، لانتانیم و غیره را شامل می‌شود. بخش عمده ناخالصی‌های اصلی در کاتیون‌هایی مانند ،⁺،  و  هستند که هنگامی که جایگزین یون‌های  می‌شوند، گیرنده‌ها را می‌سازند. کمبود حاصل در بار به وسیله فضاهای خالی اکسیژن جبران می‌شود که ممکن است با غلظت‌های ۱ در ۱۰۴، که غلظتی بسیار بیشتر از غلظت مورد انتظار شاتکی در مواد اصلی است، ظاهر شود.
یکی از پیامدهای میزان ناخالصی بالا، استفاده از غلظت‌های بالای افزودنی برای کنترل رفتار اکسیدهاست. مقدار افزودنی به ندرت کمتر از ۱ در ۱۰۳ مول است و ممکن است تا ۱ در ۱۰ مول نیز باشد. به‌طوری که ممکن است نقایص بیش از نیمه‌رساناهای کووالانت مانند سیلیسیم و  و غیره برهم کنش کنند.
تأثیر یون‌های جانشین مقوله‌ای پیچیده‌است، اما با احتیاط می‌توان برخی از نتایج را به یون‌های جانشین غیر هم‌ظرفیت در پروسکایت (ساختار و ساختارهای بلوری مشابه آن) تعمیم داد.
عناصر دهندهٔ الکترون توسط جاهای خالی کاتیونی و عناصر گیرنده توسط جاهای خالی اکسیژن خنثی می‌شوند. هر یک از این افزودنی‌ها تمایل دارد تا جاهای خالی ناشی از دیگری را کاهش دهد.
اختلاف عمده میان جاهای خالی اکسیژنی و جاهای خالی کاتیونی در ساختارهای نوع پروسکایت، تحرک بالاتر در اولویت است. کاتیون‌ها و جاهای خالی کاتیونی تمایل دارند که توسط یون‌های اکسیژن جدا شوند. از این رو سد انرژی بزرگتری باید پشت سر گذاشته شود تا یون و جای خالی بتوانند جایگزین یکدیگر شوند. با این وجود، یون‌های اکسیژن یک ساختار شبکه‌ای به هم پیوسته تشکیل می‌دهند به نحوی که جاهای خالی اکسیژن دارای یون‌های اکسیژن همسایه هستند که به راحتی می‌توانند با آن‌ها جایگزین شوند.
با افزودن عناصر دهنده الکترون در  انتظار می‌رود که غلظت جاهای خالی اکسیژن کاهش یابد که منجر به کاهش غلظت عیوب جفتی پایدارکننده حوزه‌ها و در نهایت کاهش سرعت پیرسازی می‌شود. افزایش حاصل در تحرک دیواره‌ها منجر به افزایش گذردهی، اتلاف دی الکتریک، وارفتگی کشسان، و ضرایب جفت شدگی و کاهش کیفیت مکانیکی و وادارندگی می‌شود.
ورود جاهای خالی اکسیژنی در اثر افزودن عناصر گیرندهٔ الکترون باعث کاهش محسوس اندازه سلول واحد می‌شود که پدیده ذکر شده در بالا را تقویت می‌کند.

ساخت 
  
    
      
        
          PZT
        
      
    
    {\displaystyle {\ce {PZT}}}

برای ساخت سرامیک‌های پیزوالکتریک از فناوری پودر معمولی استفاده می‌شود. بالاترین مقدار ضرایب زمانی حاصل می‌شود که ترکیب نزدیک به حالت استوکیومتری، مقدار گدازآورها و ناخالصی‌ها حداقل و چگالی در بالاترین حد ممکن باشد. برای کاهش آلودگی در زمان آسیاب از گلوله‌های زیرکنیایی استفاده می‌شود. در حال حاضر  جزء اصلی بیشتر ترکیبات مورد استفاده است. با وجوذ تبخیر در دماهای بالای ℃۸۰۰، این ماده باید در طول سینتر (تف‌جوشی) در دمای ℃۱۳۰۰ حفظ شود. کینگان و کلارک به بررسی برخی جزئیات در زمینه کنترل اتمسفر در هنگام حرارت دادن  و اثر میزان  بر روی سینتیک تراکم پرداختند. کلسیناسیون معمولاً در بوته‌های درپوش‌دار آلومینایی انجام می‌شود. در سینتر نهایی، نمونه توسط یک پودر غنی از سرب مانند  احاطه می‌شود و در ساگارهای (en:Saggar Saggar) بسته قرار می‌گیرد. به علت محدودیت دسترسی به اتمسفر حاصل و سادگی احیای  به سرب فلزی، تمام ترکیبات آلی باید قبل از سینتر، توسط حرارت دادن مقدماتی در دمای حدود ℃۶۰۰ در هوا خارج شوند. حرارت دادن ناگهانی معمولاً در کوره‌های الکتریکی ناپیوسته که کاملاً با نمونه‌ها پر شده‌اند، انجام می‌شود. با وجود احتیاط باز هم حدود ۲ تا ۳ درصد کاهش در مقدار اولیه  حاصل می‌شود که برای جبران این کمبود از ماده اولیه بیشتری استفاده می‌شود.

تیتانات باریم

اولین ماده‌ای بود که به‌عنوان پیزوسرامیک شناخته شد و به‌طور گسترده در چهارمین کاربرد ذکر شده در بالا به کار گرفته شد. در بسیاری از کاربردهای تجاری  جایگزین این ماه شده‌است، اگر چه عاری بودن ترکیب آن از سرب هنوز از نظر ایمنی و سلامت جدابیت دارد. تبدیلات ساختاری که در  رخ می‌دهد با تغییر در اغلب خواص الکتریکی و مکانیکی همراه است. تبدیل ساختارهای مکعبی به تتراگونال و اورتورومبیک به رومبوهدرال دور از دماهای کاری، اما تبدیل تتراگونال به اورتورومبیک تقریباً نزدیک به دمای کاری رخ می‌دهد. جانشین کردن با و این دمای تبدیل فازی را کاهش می‌هد و برای کنترل خواص پیزوالکتریک در نزدیک صفر درجه سانتی گراد استفاده می‌شود که برای شناسایی صدا در زیر آب و پژواک صدا مهم است.

زیرکنات سرب- تیتانات سرب (
  
    
      
        
          PZT
        
      
    
    {\displaystyle {\ce {PZT}}}
  
)

با دمای کوری ℃۴۹۵ دارای ساختار تتراگونال شبیه استکه در دمای اتاق محور c آن حدود ۶٪ بلندتر از محور a است.
تنش‌های داخلی بزرگ ایجاد شده در هنگام سرد کردن نمونه سینتر شده به دمای کوری باعث تخریب آن می‌شود. با دمای کوری ℃۲۳۴ دارای ساختار اورتورومبیک مشابه ساختار اورتورومبیک  است، اما آنتی‌فروالکتریک است، یعنی دوقطبی‌ها به دلیل جابه‌جایی یون‌های از مرکز هندسی شش یون  اطراف، به‌طور متناوب در جهات مختلف جهت‌گیری می‌کنند، بنابراین قطبشِ خودبه‌خود صفر است.

سرامیک‌های الکترواستریکتیو و پیزوالکتریک‌های رهاساز بر پایه سرب

فاکتورهای متعددی وجود دارند که مشخص‌کننده مناسب بودن یک پیزوسرامیک به‌عنوان یک مبدل انرژی هستند. به‌عنوان یک قانون عمومی، هر چه دمای کوری (Tc) بالاتر باشد، مقادیر گذردهی در دمای اتاق و ضریب بار (یا کرنش) کم‌تر خواهد بود. اما دمای انتقال پایین، که باعث ایجاد ضرایب پیزوالکتریک بزرگ می‌شود، خطر قطبش‌زدایی در طول فرایند ساخت مانند ماشین‌کاری، الکترودگذاری و لحیم‌کاری را به همراه دارد.
فروالکتریک‌های رهاساز دارای ساختار پروسکایت و سرب، * Pb(B'B")O₃ مقادیر گذردهی بالا و استثنایی دارند و بنابراین انتظار می‌رود از نظر الکترومکانیکی کاملاً جالب و به‌عنوان مبدل انرژی مناسب باشند. جستجو برای پیزوسرامیک‌هایی که ویژگی‌های الکترومکانیکی بهینه دارند تا نرکیبات مرز فاز مورفوتروپیک با رهاسازهای مختلف پیش رفته‌است.
تک‌بلورها
تلاش‌های انجام شده در زمینهٔ تولید و رشد بلور  با اندازه مناسب برای بهبود قابل توجه خواص الکترومکانیکی آن در مقایسه با نمونه‌های چندبلور با موفقیت همراه نبوده‌است، اما در مورد سیستم‌های ”رهاساز- PT “ می‌توان تک‌بلورهای بزرگ را با استفاده از فلاکس رشد داد. این تک‌بلورها خواص الکترومکانیکی خوبی دارند که البته به نحوهٔ برش قطعه در امتداد محورهای بلورشناسی تک‌بلور بستگی دارد.

نیوبات سرب

پلی‌مورف فروالکتریک یک نیوبات سرب () در دمای اتاق نیمه‌پایدار است. در دمای بالای ℃۱۲۰۰ ساختار آن تتراگونال تنگستن برنز است. با سرد کردن آهسته به زیر ℃۱۲۰۰ به شکل رومبوهدرال نارنجی- قهوه‌ای تبدیل می‌شود که در دمای اتاق پاراالکتریک است. سرمایش سریع از دمای ℃۱۲۰۰ به ℃۷۰۰، به همراه افزودنی‌هایی مانند ۲٪ وزنی ، این امکان را فراهم می‌کند که فاز تتراگونال در دماهای پایین‌تر نیز وجود داشته باشد. رنگ آن سبز مایل به آبی و دمای کوری آن ℃۳۶۰ است. در زیر این دما اعوجاج کوچک اورتورومبیک در محور c رخ می‌دهد که باعث افزایش فروالکتریک شدن آن می‌شود. ساختار تنگستن برنز با ترکیبات فلزات قلیایی اکسید تنگستن مانند* K5.7W₁₀O₃₀
شناسایی می‌شود.

نیوبات لیتیم و تنتالات لیتیم

نیوبات لیتیم و تنتالات لیتیم خواص مشابه دارند و ساختار بلوری آن‌ها مانند ایلمنیت است. این مواد شامل گروه‌های با اتصال گوشه‌ای هستند (or )که از یک وجه با یک گروه اشتراک دارند و از سمت مقابل با یک هشت‌وجهی خالی مشترک هستند. در فازهای فروالکتریک یون‌های  و  از مراکز هشت‌وجهی‌های در جهت‌های مختلف جابه‌جا می‌شوند. هنگامی که قطبش معکوس می‌شود، هر دو کاتیون در یک جهت مشابه حرکت می‌کنند، یون  به سمت صفحه میانی بین یون‌های  و یون  نیز از میان طرف دیگر صفحه  حرکت می‌کنند. تنها دو جهت قطبش امکان‌پذیر است که آن‌ها با یکدیگر زاویه °۱۸۰ اختلاف زاویه دارند. در نتیجه فعالیت پیزوالکتریکی محدودی با قطبی کردن آن ایجاد می‌شود.

کامپوزیت‌های پیزوسرامیک- پلیمر

مقایسه خواص اصلی پیزوالکتریک پلیمری پلی‌وینیلیدن فلوئورید () و  آموزنده است. انعطاف‌پذیری و چگالی پایین پلیمر در برابر صلبیت، تردی و چگالی بالای  قرار می‌گیرد. از طرف دیگر در ضریب d پیزوالکتریک نسبتاً کوچک است. با این وجود چون گذردهی نسبی در در مقایسه  پایین (۱۰~) است، ضرایب ولتاژ از نظر مقدار نسبتاً مشابه هستند.
کامپوزیت‌های پیزوسرامیک- پلیمر اخیراً به دسته‌ای مواد کامپوزیت افزوده شده‌اند و چون خواص آن‌ها به ویژه در فناوری سونار و تصویربرداری اولتراسونیک پزشکی باعث مزیت‌هایی نسبت به پیزوسرامیک‌ها به تنهایی شده‌است، گسترش یافته‌اند. در این کاربردها مبدل انرژی اغلب در تماس با آب یا بافت‌های نرم ملنند پوست بدن است.. مزیت این کامپوزیت‌ها شامل تطابق آکوستیکی مناسب بین مبدل و محیط، ضریب جفت‌شدگی الکترومکانیکی بهبود یافته و پهنای نوار بیش‌تر می‌شود. مورد اخیر مهندسی پالس‌های اولتراسونیک کاملاً مشخص و در نتیجه قدرت تفکیک آنی و گیرایی مناسب را میسر می‌کند.

کاربردها

کاربردهای پیزوسرامیک‌ها بر پایه دو وظیفه مهم آن‌ها، یعنی تولید ولتاژ و جابه‌جایی است. سایر کاربردها که بر اساس حالت‌های مهم کاربردی فهرست شده‌اند شامل موارد زیر است:
الف. مولدهای ولتاژهای کم (حسگرها): حسگرهای تصادف خودرو برای فعال کردن کیسه‌های هوا، حذف تداخل‌های صوتی (نوری)، حسگرها متوقف‌کننده خودروها، حسگرهای ضدضربه، مثلاً برای موتورها حسگرهای تعیین سطوح مایعات و غیره.
ب. عملگرهای جابه‌جایی: آینه‌های قابل تغییر شکل، عملگرهای کنترل‌شونده با کامپیوتر در ماشین بافندگی، تزریق سوخت (به درون موتورها)، چاپگرهای جوهرافشان، پنکه‌های خنک‌کننده، رله‌های الکتریکی و غیره.
پ. مولدهای فرکانس بالا، هم در سطوح "سیگنال" و هم در سطح "توان": جوشکاری فراصوت پلیمرها، سنگ‌شکن کلیه، مرطوب‌کننده‌ها، زنگ‌های اخباری (از همه نوع)، تجهیزات بررسی غیرمخرب، عمق‌سنج برای قایق‌ها و کشتی‌ها، فناوری‌های گوناگون پزشکی، زیردریایی و غیره.

لعاب نیمه هادی

لعاب قشر نازک شیشه ای یا شیشه مانند هستش که از ذوب یا گداختن مخلوطی از چندین ماده معدنی بدست می‌آید، لعاب‌ها باید خواص مهمی داشته باشند تا بتوانند بر روی بدنه ای به صورت ایده‌آل قرار بگیرند که مهم‌ترین خواص لعاب‌ها عبارتند از کشش سطحی، ویسکوزیته، مقاومت شیمیایی، نقطه ذوب، سختی، فراریت، تناسب لعاب با بدنه، خواص الکتریکی و …
لعاب‌های نیمه هادی را می‌توانیم دسته ای از لعاب‌های کریستالین به حساب بیاریم که قابلیت هدایت جزئی الکتریسیته دارند و از طرفی هدایت الکتریکی لعاب‌های نیمه هادی باعث نشت جریان بسیار کوچکی از میان لعاب میشه که سبب گرم شدن چند درجه ای سطح لعاب نسبت به دمای محیط میشه که این فرایند سبب خشک شدن آلودگی‌های تر موجود در سطح عایق شده و مانع ایجاد قوس الکتریکی میان آن‌ها میشه و در نتیجه خطر تخلیه بار الکتریکی کاهش می‌دهد اما در عایق‌های با لعاب معمولی، تمرکز تنش الکتریکی به وجود آمده پیرامون پین‌ها، سبب تخلیه‌های جزئی الکتریکی می‌شود. این تخلیه‌های جزئی رشد کرده و نهایتاً سبب قوس الکتریکی می‌شود و لعابی که روی این عایق اعمال کردیم ازبین می‌رود
در حال حاضر بهترین نوع لعاب نیمه هادی، لعابی بر پایه اکسید قلع_آنتیموان است.

هدایت الکتریکی بر پایه اکسید قلع

برای ایجاد یک لعاب نیمه هادی باید اکسیدهایی را درون یک اکسید زمینه به صورت محلول جامد تشکیل بدهیم تا بهترین شرایط لعاب نیمه هادی را از نظر الکتریکی بدست بیاوریم و ازبین انواع اکسیدها بهترین اکسید، اکسید قلع است که بادوپ کردن اکسید آنتیموان در درون اکسید قلع می‌توانیم این لعاب نیمه هادی نوع n را بدست بیاوریم
اکسید قلع اکسید دی الکتریک فلزی است با ساختار شبه روتایل که در ساختمان آن a=0.4737 nm, b=0.3186 nm ,c=۰ و انرژی باند ممنوعه ترکیب استوکمتریک اکسید قلع ۴٫۶–۳٫۹، الکترون ولت گزارش شده که نشان دهنده هدایت بسیار کم آن در دمای اتاق است. بزرگترین کشور تولیدکننده اکسید قلع کشور برزیل است.

کاربرد لعاب‌های نیمه هادی روی مقره‌های الکتریکی

به‌طور کلی مقره‌ها از سه قسمت اصلی تشکیل شدن: بدنه پرسلانی، لعاب نیمه هادی، یراق آلات فلزی دلایل لعاب زنی روی مقره‌ها:افزایش استحکام مکانیکی مقره‌ها، مقاوم کردن بدنه در برابر نفوذ رطوبت و آلودگی، زیبایی و صاف بودن سطح مقره، تمیز کردن راحت مقره‌ها حتی با آب باران.
بدنه این مقره‌ها از جنس پرسلان ولعاب آن دارای ترکیب ویژه برای هدایت الکتریکی است.