MATERIAŁY PIEZOELEKTRYCZNE, PIEZOELEKTRYKI
(PIEZOELECTRIC MATERIALS)

Wstęp

Zjawisko piezoelektryczności zostało odkryte w 1880 roku przez Pierre'a i Jacques'a Curie. Zauważyli oni, że kwarc zmienia swoje wymiary pod wpływem działania pola elektrycznego  na odwrót, generuje ładunek elektryczny na skutek deformacji mechanicznej. Po raz pierwszy zjawisko to zostało wykorzystane praktycznie w 1920 roku przez Langevina, który wykonał kwarcowy nadajnik i odbiornik dźwięków podwodnych - pierwszy sonar.  Pierwsze piezoelektryczne materiały opracowano w latach czterdziestych XX wieku (tytanian baru) i pięćdziesiątych (cyrkonian-tytanian ołowiu - PZT). Rok 1965 to początek produkcji pierwszych urządzeń wykorzystujących właściwości ceramiki piezoelektrycznej.

Materiały piezoelektryczne

Materiały piezoelektryczne przetwarzają energię elektryczną w mechaniczną i odwrotnie. Odkształcenia sprężyste piezoelektryka wywołuje w nim powstanie wewnętrznego pola elektrycznego (efekt piezoelektryczny prosty) lub umieszczenie materiału w polu elektrycznym prowadzi do zmiany jego wymiarów (efekt piezoelektryczny odwrotny). Zjawisko piezoelektryczne posiada inny mechanizm niż zjawisko elektrostrykcji, które charakteryzują znacznie mniejsze odkształcenia i występuje ono we wszystkich materiałach.

Zjawisko piezoelektryczności

Wskaźniki właściwości

Materiały piezoelektryczne charakteryzuje się opisując ich właściwości sprężyste, piezoelektryczne i dielektryczne. Podstawowa zależność wiąże polaryzację (Pi) z naprężeniem , gdzie moduł piezoelektryczny (piezoelectric strain constant) dijk wyrażony w C/N lub w m/V (w zależności od tego, czy jest to prosty, czy też odwrotny efekt piezoelektryczny), jest tensorem trzeciego rzędu. Często stosowana jest analogiczna zależność opisująca związek pomiędzy polem elektrycznym (Ei) i naprężeniem: , gdzie moduł piezoelektryczny (piezoelectric volatge modul) jest wyrażony w Vm/N. Właściwości użytkowe materiału najlepiej charakteryzują, wyznaczane przez większość badaczy, składowe d33, d13, g33 i g13. Innym ważnym wskaźnikiem właściwości jest współczynnik sprzężenia elektromechanicznego elektromechanicznego. Jest on zdefiniowany jako pierwiastek kwadratowy stosunku energii uzyskanej do włożonej w efekcie piezoelektrycznym. Materiały piezoelektryczne charakteryzowane są również przez tzw. kąt stratności . Ferroelektryczne materiały piezoelektryczne bada się określając parametry histerezy ferroelektrycznej: polaryzację nasycania, polaryzację remanencji i koercję oraz temperaturę Curie. Inne najczęściej przedstawione właściwości to względna stała dielektryczna , oraz stała sprężystości lub stała podatności sprężystej. Materiały piezoelektryczne charakteryzują się również przez określenie zależności odkształcenie-pole elektryczne.

Ceramiczne materiały piezoelektryczne

Istotą zjawiska piezoelektrycznego jest powstanie pola elektrycznego na skutek przemieszczenia ładunku w jonowej sieć krystalicznej materiału, spowodowane jego odkształceniem. Zjawisko piezoelektryczne jest uwarunkowane rodzajem sieci krystalograficznej. Występuje jedynie w kryształach należących do 20 z 32 grup punktowych. Jako ceramika piezoelektryczna stosowane są zarówno materiały ferroelektryczne, jak i nieferroelektryczne. Materiały nieferroelektryczne posiadają mniejsze właściwości piezoelektryczne, a wśród nich najczęściej wykorzystywany jest kwarc (SiO2) o niskich, ale bardzo stabilnych właściwościach. Wszystkie materiały, w których polaryzacja następuje spontanicznie (ferroelektryczne), wykazują właściwości piezoelektryczne. Piezoelektryczne materiały ceramiczne o największym znaczeniu posiadają strukturę perowskitu o ogólnym wzorze ABO3. Miejsca A zajmują duże jony: Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba, Pd, natomiast miejsca B jony małe: Ti, Sn, Zr, Nb, Ta lub W. Najczęściej wykorzystuje się materiały domieszkowane innymi pierwiastkami, co zmienia ich właściwości. W przypadku cyrkonianu - tytanianu ołowiu (PZT) dodatki zastępujące kation z pozycji A obniżają właściwości piezoelektryczne, natomiast dodatki zastępujące kation z pozycji B zwiększają właściwości piezoelektryczne i stałą dielektryczną. Zwiększają również kąt stratności.

Ceramiczne materiały piezoelektryczne o największym znaczeniu to:
- tytanian baru (BaTiO3) - jest materiałem ferromagnetycznym o temperaturze Curie wynoszącej 120 -130 stopni Celsjusza. Moduł piezoelektryczny d33 wynosi , a współczynnik sprzężenia elektromechanicznego około 0,5.
- tytanian ołowiu (PbTiO3) - posiada właściwości ferroelektryczne w temperaturach niższych od Tc = 490 stopni Celsjusza. Przemiana ferroelektryczna wywołuje odkształcenia prowadzące do pękania materiału. W celu zmniejszenia tego zjawiska stosuje się domieszkowanie Ca, Sr, Ba, Sn i W. Moduł piezoelektryczny materiału PbTiO3 domieszkowanego Ca wynosi .
- cyrkonian - tytanian ołowiu (PZT) jest roztworem stałym PbZrO3 i PbTiO3. Domieszkowania ceramika PZT znana jest jako twarda (domieszkowana K+ i Na+ w pozycji A lub Fe3+, Al3+, Mn3+ w pozycji B) lub miękka (La3+ w pozycji A lub Nb5+ lub Sn5+ w pozycji B).
- nioban ołowiu i magnezu - PMN (PbMg1/3Nb2/3O3)

Ceramiczne materiały piezoelektryczne wytwarzane są najczęściej jako polikryształy. Wielkość ziarna ma duży wpływ na moduł piezoelektryczny, stałą dielektryczną i kąt stratności. Wadą materiałów polikrystalicznych jest brak możliwości osiągnięcia dużego stopnia polaryzacji ich struktury. Wiele prac poświęcanych jest obecnie piezoelektrycznym monokryształom. Ferroelektryczne kryształy LiNbO3 i LiTiO3 o wysokich temperaturach Curie (1210 i 660 stopni Celsjusza) są wykorzystywane do wzbudzania powierzchownych fal akustycznych. Monokryształy z układu Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 osiągają wartości modułu piezoelektrycznego przy współczynniku sprzężenia elektromechanicznego k33=0,94. Ich odkształcenie w polu elektrycznym dochodzi do 1,7%. Otrzymywanie materiałów piezoelektrycznych w postaci monokryształów jest obecnie jednym z głównych kierunków rozwoju tej grupy materiałów. Podejmowano również próby wytwarzania lekkich ceramicznych materiałów piezoelektrycznych piezoelektrycznych w postaci aerożelu. Dużej kruchości tych materiałów zapobiega się przez tworzenie kompozytów polimerowych.

Wytwarzenie ceramicznych materiałów piezoelektrycznych

Ceramiczne materiały piezoelektryczne wytwarzane są najczęściej metodami typowymi dla ceramiki. Materiałem wyjściowym są przeważnie proste tlenki metali. Proszki w odpowiednich proporcjach miesza się przez mielenie i ewentualnie frakcjonuje w celu ograniczenia wielkości cząstek. Następnie materiał poddawany jest procesowi kalcynacji, w którym powstaje odpowiedni skład fazowy. Kolejny etap to mielenie prowadzone na mokro lub sucho. Do proszku dodawane są substancje ułatwiające prasowanie (np. wodny roztwór polialkoholu winylowego). Poza prasowaniem stosowane są też inne metody nadawania kształtu: wyciskanie lub odlewanie. Ważnym etapem jest spiekanie. Zasadniczy proces spiekania, w którym powstaje odpowiedni skład fazowy. Kolejny etap to mielenie prowadzone na mokro lub na sucho. Do proszku dodawane są substancje ułatwiające prasowanie (np. wodny roztwóru polialkoholu winylowego). Poza prasowaniem stosowane są też inne metody nadawania kształtu: wyciskanie lub odlewanie. Ważnym etapem jest spiekanie. Zasadniczy proces spiekania, w którym następuje zagęszczanie, prowadzi się w temperaturach 1200-1300 stopni Celsjusza. Jest on poprzedzony wypaleniem substancji wiążącej. W celu otrzymania materiału drobnoziarnistego wykorzystuje się często prasownie na gorąco. W czasie spiekania ceramiki zawierającej Pb mogą pojawić się ubytki PbO, który intensywnie paruje w temperaturach przekraczających 800 stopni Celsjusza. Stosowane są zatem atmosfery zawierające PbO. Ubytek PbO następujący w wyniku spiekania sięga 2-3%. Odstępstwa od założonego składu, będące wynikiem niekontrolowanych zjawisk w procesie wytwarzania, powodują, że materiały z jednej partii mogą różnić się znacznie właściwościami: różnica właściwości mechanicznych dochodzi nawet do 5%, piezoelektrycznych do 10%, a dielektrycznych do 20%. Trudność otrzymania pożądanego składu chemicznego oraz niejednorodność otrzymanego materiału sa największymi wadami tradycyjnych metod otrzymywania ceramiki piezoelektrycznej. Po spiekaniu prowadzi się obróbkę mechaniczną i nanosi, np. przez napylanie, warstwy metaliczne stanowiące elektrody. Ostatnim etapem procesu technologicznego jest polaryzacja materiału (ukierunkowanie momentów elektrycznych). Prowadzi się ją w temperaturze pokojowej lub w temperaturach podwyższonych (100-150 stopni Celsjusza ) w stałym polu elektrycznym o napięciu rzędu 2,5-4,5 MV/m w czasie 10-120 minut. Proces ten nigdy nie pozwala na ukierunkowanie idealne.

Piezoelektryczne włókna ceramiczne otrzymuje się przez wyciskanie proszków z wiążącym materiałem polimerowym lub materiałem ceramicznym w postaci zolu. Znany jest proces wytwarzania polikrystalicznych włókien Pb(Zr,Ti)O3 o średnicy 250 mikrometrów i wielkości ziarna 2-6 mikrometrów.
Alternatywnym procesem otrzymywania ceramicznych materiałów piezoelektrycznych jest metoda zol-żel. Związki chemiczne zawierające pierwiastki składowe rozpuszcza się w rozpuszczalniku organicznym. Zachodzący proces hydrolizy prowadzi do powstania  żelu. Otrzymany żel po wysuszeniu i rozdrobnieniu poddaje się procesowi kalcynacji. Proszek po kalcynacji podlega  dalszemu procesowi analogicznie do proszku otrzymanego metodą tradycyjną. Metoda zol-żel pozwala na uzyskanie materiałów o większej jednorodności i lepiej kontrolowanym składzie niż tradycyjna metoda wytwarzania ceramiki.

Interesującą modyfikacją wytwarzania ceramiki piezoelektrycznej jest stosowanie spiekania mikrofalowego. Szybkość nagrzewania zależy w tej metodzie od absorpcji mikrofal przez materiał. Zdolność ta może być zmieniona przez dodatek niewielkiej ilości grafitu. Stosując spiekanie mikrofalowe ceramiki PZT, otrzymanej metodą zol-żel, można wytworzyć  materiał o gęstości 98% (przy spiekaniu tradycyjnym 95%), o większej twardości 1400 MPa (980 MPa), mniejszym ziarnie 2 mikrometrów (4 mikrometry ) i większym module piezoelektrycznym . Spiekanie mikrofalowe pozwala na stosowanie niższych temperatur i krótszych czasów procesu.

Kompozyty piezoelektryczne

Ceramika piezoelektryczna jest materiałem kruchym, co ogranicza możliwości zastosowania. Inne ograniczenie wynika z dużej gęstości tych materiałów. Dotyczy ono zastosowań związanych z absorpcją i emisją fal dźwiękowych. Duża gęstość wywołuje dużą impedancję akustyczną pomiędzy przetwornikiem a środowiskiem rozchodzenia się fali. Wymienione cechy materiału można znacząco poprawić wytwarzając kompozyty ceramika-polimer.

Właściwości kompozytów piezoelektrycznych zależą od właściwości komponentów i ich wzajemnego rozmieszczenia w przestrzeni. Często wytwarzany jest kompozyt, w którym cząstki ceramiczne rozmieszczone są w polimerowej osnowie. Struktura taka jest łatwa do uzyskania przy niewielkiej ilości polimeru, jednak powstają problemy z prawidłową polimeryzacją kompozytu. Ciekawe są również właściwości kompozytu, w którym ceramika i polimer tworzą dwa ciągłe, przenikające się szkielety. Wiele prac poświęca się kompozytom, w którym równoległe włókna ceramiczne są rozmieszczone w kierunku polaryzacji w polimerowej osnowie.

Pewne zastosowania (aktuatory reagujące na przyłożone napięcie efektem zginania) wymagają materiałów o właściwościach zmiennych na przekroju. Stosuje się najczęściej materiały warstwowe, w tym układy ceramika-metal i ceramika-kompozyt polimerowy. Dużym problemem przy obciążeniach cyklicznie zmiennych jest zniszczenie struktur wielowarstwowych przez rozwarstwienie (delaminację). Rozwiązaniem jest stosowanie ceramicznych materiałów piezoelektrycznych piezoelektrycznych gradientem składu i struktury. Istnieją aktuatory, w których efekt zginania uzyskano przez połączenie kilku warstw ceramiki piezoelektrycznej o różnych właściwościach. Różne wydłużenie poszczególnych warstw w polu elektrycznym daje silny efekt zginania przy jednoczesnym zmniejszeniu nieciągłości rozkładu naprężeń na przekroju, jakie występują w przypadku warstw znacznie różniących się morfologicznie.

Ważnym kierunkiem rozwoju piezoelektrycznych kompozytów jest łączenie komponentu piezoelektrycznego z innymi materiałami inteligentnymi, np. z materiałami magnetostrykcyjnymi lub z materiałami z pamięcią kształtu i innymi. Znany jest przykład struktury złożonej z materiału piezoelektrycznego (PZT) oraz magnetostrykcyjnego (stop FeCoSiB), w której uzyskano możliwość zmian w szerokim zakresie przenikalności magnetycznej w zależności od przyłożonego napięcia (efekt magnetoelektryczny).

Zastosowania ceramicznych materiałów piezoelektrycznych

Materiały piezoelektryczne znajdują zastosowanie w wielu urządzeniach. Zjawisko zamiany energii, jakie dają materiały piezoelektryczne, pozwala na uzyskanie za pomocą odpowiednich urządzeń pewnych użytecznych efektów: energia elektryczna przetwarzana jest na działanie mechaniczne (wydłużenie, zginanie, skręcanie, drgania) - aktuatory lub oddziaływanie mechaniczne jest rejestrowane przez powstanie efektu elektrycznego - sensory. Najczęściej wymieniane obszary zastosowań materiałów piezoelektrycznych to automatyzacja, mikromanipulacja, techniki pomiarowe (np. nieniszczące badania wad w materiałach) i medyczne (np. diagnostyczne techniki ultradźwiękowe). Szybko rozwijającą się dziedziną zastosowań materiałów piezoelektrycznych są systemy monitorowania stanu materiałów i konstrukcji.      

Rozwój materiałów piezoelektrycznych jest obecnie stymulowany przede wszystkim przez zapotrzebowanie na nowe aktuatory - elementy o ogromnym znaczeniu dla rozwoju zaawansowanych urządzeń mechanicznych. Aktuatory w zależności od konstrukcji dzielą się na kilka typów:

Pomimo że aktuatory stanowią konstrukcje, to jednak zagadnienia materiałowe, takie jak dobór materiałów i sposobów ich łączenia, mają dla tych zagadnień pierwszorzędne znaczenie.

Aktuatory piezoelektryczne

Kierunki rozwoju ceramicznych materiałów piezoelektrycznych

Piezoelektryczne materiały ceramiczne są podstawową podgrupą materiałów inteligentnych.

Obecnie najszerzej stosowana jest ceramika piezoelektryczna zawierająca związki ołowiu (do 70%). Pierwiastek ten jest szkodliwy dla zdrowa i środowiska. Podstawowym kierunkiem poszukiwania nowych materiałów jest więc otrzymanie bezołowiowej ceramiki piezoelektrycznej o właściwościach porównywalnych z PZT. Zakres stosowania ceramiki piezoelektrycznej mógłby zostać rozszerzony przez opracowanie materiałów zdolnych do pracy w ekstremalnych warunkach: warunkach wysokich temperaturach, przy wysokich ciśnieniach oraz w agresywnych chemicznie środowiskach.

Za kierunek badań o największym znaczeniu można uznać prace nad otrzymywaniem i badaniami właściwości monokryształów piezoelektrycznych. Materiały takie umożliwiłyby miniaturyzację i integrację różnych urządzeń wykorzystujących te materiały.

Ze względu na konstrukcję podstawowych urządzeń wykorzystujących piezoelektryczne materiały ceramiczne ważne są badania materiałów warstwowych, materiałów z gradientem struktury i kompozytów. Duże nadzieje można wiązać z kompozytami łączącymi właściwości różnych materiałów inteligentnych (piezoceramicznych z magnetostrykcyjnymi czy stopami z pamięcią kształtu).

Polimery piezoelektryczne

W polimerach, podobnie jak w materiałach ceramicznych, występuje efekt piezoelektryczny. Polimery piezoelektryczne coraz częściej zastępują ceramiczne materiały piezoelektryczne. Światowa produkcja czujników z piezoelektrycznych polimerów rozwija się obecnie najszybciej porównaniu do produkcji czujników z innych materiałów piezoelektrycznych. Na rynek polski zaczynają wchodzić zagraniczni producenci piezoelektrycznych o polimerów urządzeń na nich opartych. Amerykańska firma Measurement Specialities Inc. dostarcza sensory wykorzystujące polimery piezoelektryczne, głównie PVDF i jego kopolimery.

Sposobem na minimalizowanie niekorzystnych właściwości ceramicznych materiałów piezoelektrycznych jest połączenie tych materiałów z polimerami, co w efekcie powoduje otrzymanie kompozytu o większej odporności na kruche pękanie, mniejszej gęstości i mniejszej stałej dielektrycznej. Otrzymywane w ten sposób piezoelektryczne kompozyty ceramiczno-polimerowe znalazły zastosowanie głównie do wytwarzania czujników stosowanych w hydrolokacji. Prowadzone są też liczne prace badawcze zmierzajšce do poprawienia ich właściwości.

Najważniejszymi zaletami polimerów piezoelektrycznych jest to, że nie są kruche tak jak ceramiczne materiały piezoelektryczne i odznaczają się wyraźnie niższą akustyczną impedancją właściwą, znacznie korzystniejszą do niektórych zastosowań. Na przykład akustyczna impedancja (Z0) typowych polimerów piezoelektrycznych jest tylko 2,6 razy większa niż wody, podczas gdy materiałów piezoelektrycznych jest ona przeciętnie 11 razy większa. Zbliżona impedancja akustyczna pozwala na bardziej wydajne przekazywanie sygnału zarówno w wodzie jak i komórkach ludzkich, a także innych materiałach organicznych. Polimery piezoelektryczne charakteryzują się ponadto łatwymi i znacznie tańszymi metodami wytwarzania.

Do grupy polimerów piezoelektrycznych zaliczyć można takie polimery jak: polipropylen, polistyren, poli(metakrylan metylu), semikrystaliczny poliamid o nazwie handlowej nylon 11, amorficzny octan winylu, polimoczniki i polimery ciekłokrystaliczne. Kolejną grupą polimerów piezoelektrycznych są biopolimery, takie jak polipeptydy i cyjnaoetyloceluloza. Jednakże efekt piezoelektryczny w wymienionych polimerach jest stosunkowo słaby. Silnym efektem piezoelektrycznym charakteryzuje się jedynie poli(fluorek winylidenu) (PVDF) oraz jego kopolimery,np. z trifluoroetylenem (TrFE) lub tetrafluoroetylenem (TeFE). Kopolimer PVDF z TrFE cechuje występowanie korzystnej, trudnej do uzyskania, stabilnej fazy beta, dzięki której nie musi być on poddawany orientacji, co jest konieczne dla PVDF.
W ciągu ponad 30 lat badań właściwości piezoelektryczne polimerów PVDF i jego kopolimerów zostały znacznie poprawione. Obecnie wykazują one najsilniejszy efekt piezoelektryczny spośród wszystkich znanych organicznych polimerów syntetycznych. Są one bardzo giętkie, można łatwo je kształtować i szybko reagują na zmiany naprężenia. Najczęściej PVDF jest produkowany w postaci folii o grubości od 9 do 800 mikrometrów. Ultracienkie powłoki pozwalają na konstruowanie nowej generacji miniaturowych czujników o bardzo dobrych parametrach. Czujniki takie mogą pracować w temperaturze od -40 do 135 stopni Celsjusza. Polimery piezoelektryczne umożliwiają wykonanie przetworników przetworników złożonych kształtach, np. cylindrycznych lub półsferycznych. W konsekwencji dało to nową rodzinę przetworników, których zastosowanie i parametry pomiarowe mogą być wykorzystane w różnych gałęziach przemysłu.

Piezoczujniki wykonane z kopolimerów PVDF charakteryzują się:
- szerokim zakresem częstotliwości (od 10-3 do 109 HZ)
- szerokim zakresem działania sił dynamicznych (wywołujących ciśnienia od 10-5 do 109 Pa)
- niską impedancją akustyczną
- wysoką podatnością sprężystą
- wysokim napięciem wyjściowym, tzw. odpowiedzią napięciową (10-krotnie wyższym od ceramicznych materiałów piezoelektrycznych przy tej samej sile wymuszającej)
- wysoką wytrzymałością dielektryczną (wytrzymuje silne pola rzędu 75 V/mikro, w których większość ceramicznych materiałów piezoelektrycznych depolaryzuje się)
- dużą wytrzymałością mechaniczną i udarnością
- stabilnościš i odpornością na wilgoć (absorpcja wilgoci <0,02%), większość chemikaliów, utleniaczy i promieniowanie UV.

Porównanie właściwości najbardziej popularnych materiałów piezoelektrycznych z grupy polimerów z ceramiki przedstawiono w postaci tabeli:

PVDF charakteryzują się niższą piezoelektryczną stałą naprężenia , lecz zncznie wyższą piezoelektryczną stałą odkształcenia , co wskazuje, że jest on znacznie lepszym czujnikiem niż PZT i BaTiO3. Czujniki i aktuatory wykorzystujące polimery piezoelektryczne są łatwe do wykonania: można je ciąć, a także można z nich formować elementy o bardzo skomplikowanym kształcie. Ponadto polimery piezoelektryczne może również cechować duża wytrzymywałość i udarność. Pożądanymi cechami tych polimerów są także: niska stała dielektryczna, mała sztywność i mała gęstość, co wpływa na dużą czułość napięciową (korzystna charakterystyka dla czujników) i niską akustyczną i mechaniczną impedancję (korzystna charakterystyka dla medycznych i podwodnych zastosowań).
Większość metod dotyczących charakteryzowania i modelowania zjawisk piezoelektrycznych została opracowana dla ceramiki. Wymagają one adaptacji do badania polimerów.

Ze względu na swoje własności zarówno PVDF jak i jego kopolimery znalazły zastosowanie zwłaszcza w medycynie do wytwarzania sztucznych mięśni, skóry i organów ludzkich, urządzeń monitorujących m.in. przepływ krwi lub stan powierzchni skóry, sond do badań inwazyjnych, jak np. w transrektalnym USG, mikrofonów, inwazyjnych także w innych dziedzinach np. do wytwarzania podwodnych przetworników akustycznych, sejsmografów, pomp i zaworów, czujników natężenia ruchu drogowego, przełączników, akceleratorów, przetworników drgań, detektorów emisji akustycznych.

Kompozyty ceramika - polimer

Znanych jest wiele metod wytwarzania piezoelektrycznych kompozytów ceramika-polimer (m.in. tape casting), ale nadal istnieje potrzeba opracowania opłacalnego procesu produkcyjnego dla średniej wielkości serii takich kompozytów. Zależnie od rozmieszczenia w polimerowej osnowie cząstek ceramiki piezoelektrycznej wyróżnia się kompozyty 0-3, 1-3, 2-3, 3-3 (perkolacja w 0,1,2 lub 3 kierunkach).

Piezoelektryczne kompozyty ceramiczno-polimerowe znalazły zastosowanie jako ultradźwiękowe przetworniki dla urządzeń hydrolokacyjnych w marynarce, w medycznych systemach diagnostycznych (np. ultrasonografii) ultrasonografie nieniszczących badaniach materiałów.

Zastosowanie materiałów piezoelektrycznych do nieniszczącej oceny wyrobów z materiałów i kompozytów polimerowych.

Stosowanie metody kontroli nieniszczącej NDE, takie jak np. badania ultradźwiękowe, magnetyczne, rentgenowskie, emisji akustycznej lub termografia są kłopotliwe z uwagi na wymiary konstrukcji (koszty badania tymi metodami dużych konstrukcji są wyższe) i specyfikę aparatury badawczej, a ponadto mogą powodować czasowe wyłączenie badanego obiektu z eksploatacji. Ponadto badania te mają charakter okresowy lub przypadkowy, albo też ograniczają się do monitorowania warunków pracy konstrukcji (mechanicznych, cieplnych, zmian w środowisku pracy).

Możliwości, jakie stwarza stosowanie materiałów inteligentnych jako sensorów oceny stanu materiałów w wyrobach i konstrukcjach inżynierskich stanowią podstawę rozwoju monitoringu, dostarczającego istotnych informacji o stanie konstrukcji w sposób ciągły, w czasie rzeczywistym. Istnieje możliwość przekazywania tych informacji także za pośrednictwem internetu, a więc na dowolną odległość.

W większości przypadków wykorzystanie materiałów inteligentnych do monitorowania stanu materiałów dotyczy materiałów polimerowych i kompozytów polimerowych, częściowo materiałów ceramicznych, ale wiele informacji ma charakter uniwersalny. Warto zaznaczyć, że ze względu na znaczenie problemów bezpieczeństwa eksploatacyjnego, większość istniejących rozwiązań w tym zakresie dotyczy konstrukcji lotniczych lub budowlanych. Takie obiekty jak samoloty, mosty czy rurociągi projektuje się bowiem na ponad 40 lat eksploatacji. Niektóre zastosowania sensorów wykonanych z materiałów inteligentnych, przeznaczonych do monitorowania struktur stosowanych w kosmonautyce, wymagają od nich szczególnych właściwości, jak np. odporność na zmiany pola elektromagnetycznego lub temperatury.

Istotną sprawą jest konieczność zapewnienia prawidłowej interpretacji sygnałów przekazywanych przez materiały inteligentne. Do tego celu opracowano modele oparte na różnych podejściach teoretycznych.
Możliwe jest także monitorowanie nie tylko stanu wyrobów i konstrukcji w trakcie  ich eksploatacji, lecz również procesu ich wytwarzania. Dzięki temu uzyskuje się pełny obraz stanu wyrobów i konstrukcji poczynając od momentu ich wytworzenia.

Monitorowanie stanu wyrobów lub konstrukcji, w swojej istocie dotyczy monitorowania w trakcie eksploatacji stanu materiałów tworzących wyrób lub konstrukcję. Podstawowe rozwiązania z zakresu monitorowania stanu materiałów opierają się na włóknach światłowodowych, materiałach piezoelektrycznych, magnetostrykcyjnych, a także na pomiarze rezystancji.

Podstawowe cechy metody diagnostyki materiałów poprzez piezoceramiki wyglądają następująco:
- sposób rozmieszczenia sensorów: wbudowane w konstrukcję
- monitorowane rodzaje zjawisk: odkształcenie dynamiczne, impedancja
- obszar pomiaru: średni do dużego
- koszt: średni
- transmisja danych: łatwa

Badania nad wykorzystaniem sensorów, złożonych z materiałów piezoelektrycznych, do monitorowania i diagnostyki stanu materiałów w wyrobach i konstrukcjach kompozytowych sięgają wczesnych lat 80. ubiegłego stulecia. Pierwsze ich praktyczne zastosowanie odnotowano jednak dopiero na początku lat 90. Rysunek poniżej (rysunek 1) przedstawia sposób rozmieszczenia cienkich, małych płytek z materiałów piezoelektrycznych, takich jak poli(fluorek winylidenu) (PVDF)  lub cyrkonian-tytanian ołowiu (PZT).

Mogą one być umieszczone wewnątrz materiału lub na jego powierzchni. W większość przypadków z ich pomocą monitorowany jest stan całego wyrobu lub konstrukcji.

Czujniki piezoelektryczne monitorujące stan materiału

Najczęściej monitorowane są drgania konstrukcji, uszkodzenia spowodowane udarami, uszkodzenia wewnętrzne (za pomocą sygnałów diagnostycznych lub fali Lamba), a także impedancja strukturalna. Informacje uzyskane na skutek monitorowania drgań konstrukcji mogą posłużyć do określenia stan u konstrukcji tj. stopnia jej uszkodzenia i degradacji. Wyróżnia się monitorowanie pasywne i aktywne. Pierwsze z nich stosowane jest głównie do monitorowania stanu konstrukcji o dużych gabarytach. Elementy piezoelektryczne w tym przypadku stanowią sensory odkształceń dynamicznych. Monitorowanie aktywne, w których elementy piezoelektryczne są aktuatorami, jest przydatne do wykrywania uszkodzeń wewnętrznych w materiale, takich jak np. delaminacja w kompozytach na (rysunek na poprzedniej kartce) wynika rodzaj rejestrowanych (monitorowanych) skutków warunków pracy materiału. Niektóre rodzaje piezoelektrycznych aktuatorów i sensorów są tak projektowane, aby mogły wysyłać i rejestrować fale Lamba, rozchodzące się w płytach o małej grubości. Fale te zdolne są do wykrywania uszkodzeń wewnętrznych laminatów kompozytów (delaminacji).

Istnieją farby składające się z żywicy akrylowej, poliuretanowej lub epoksydowej i cząstek PZT lub BaTiO3, którymi maluje się duże konstrukcje (np. zbiorniki) lub szybkie pojazdy. Pokrycia te umożliwiają wykrywanie szkodliwego poziomu drgań lub uszkodzeń materiału (przy wykorzystaniu metody emisji akustycznej). Tendencje rozwojowe zmierzają  do wykorzystania farb "smart" do monitorowania także parametrów atmosferycznych. 

Materiały inteligentne wykorzystywane są także do monitorowania procesu wytwarzania wyrobów i konstrukcji z materiałów i kompozytów polimerowych. Monitoruje się między innymi proces utwardzania polimerów termo- i chemoutwardzalnych w osnowie kompozytów. Sprawdzany jest chemiczny i fizyczny stan materiałów wyjściowych i jakość produktu finalnego. Zebrane dane wykorzystywane są do optymalizacji procesu wytwarzania w celu uzyskania jak największej wydajności procesu. Jakość wyrobu silnie zależy także od takich parametrów procesu wytwarzania jak temperatura i ciśnienie. Uzyskane informacje o jakości struktury otrzymanego kompozytu stanowią wyjściową bazę danych do porównania ze zmianami, jakie zachodzą w strukturze materiału w czasie jego eksploatacji.
Cechy metody monitorowania dla sensorów piezoelektrycznych:
- ulokowanie sensorów: osadzone w tworzywie
- monitorowane właściwości: impedancja
- koszt: średni
- przydatność praktyczna: dobra

Sensory wykonane z piezoelektrycznej ceramiki po raz pierwszy wykorzystano do monitorowana procesu utwardzania polimeru w 1997 roku. Sposób pomiaru stopnia utwardzenia wykorzystuje zjawisko skurczu polimeru podczas utwardzania, co wywołuje nacisk na rozmieszczone w nim sensory piezoelektryczne.