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Soluciones Piezoeléctricas
Documento 1
Historia de los materiales piezoeléctricos.
Efecto piroeléctrico, electroestrictivo y electro-óptico.
Proceso de fabricación de cerámicas piezoeléctricas
Del curso:
Materiales y Dispositivos Piezoeléctricos:
Fundamentos y Desarrollo
Autores:
Michel Venet Zambrano (VENET, M)
Antonio Henrique Alves Pereira (PEREIRA, AHP)
São Carlos – 2004
ÍNDICE
ÍNDICE
2
1.
INTRODUCCIÓN
3
2.
HISTORIA DE LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS
3
3.
PIROELECTRICIDAD
4
3.1.
EFECTO PIROELÉCTRICO
4
3.2.
EFECTO PIROELÉCTRICO PRIMARIO Y SECUNDARIO
9
3.3.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS MATERIALES PIROELÉCTRICOS. 10
3.3.1.
Detectores de un elemento.
10
3.3.2.
Dispositivos térmicos para imágenes.
12
4.
EFECTO ELECTROESTRICTIVO
14
5.
PROPRIEDADES ÓPTICAS (EFECTO ELECTRO-ÓPTICO)
15
6.
FABRICACIÓN DE CERÁMICAS PIEZOELÉCTRICAS
17
2
1. INTRODUCCIÓN
En cualquier escala de frecuencia o potencia, el elemento activo y núcleo de la mayoría de
los transductores ultrasónicos es un piezoeléctrico, siendo clasificado dentro de los siguientes
grupos: Cristales de Cuarzo, Cristales Hidrosolubles, Monocristales Piezoeléctricos,
Semiconductores Piezoeléctricos, Cerámicas Piezoeléctricas, Polímeros Piezoeléctricos y
Compuestos Piezoeléctricos. De estos grupos, las Cerámicas Piezoeléctricas (referencia y
enfoque de este curso) son las que presentan la mayor flexibilidad de formato y de
propiedades, por ello son muy utilizadas.
2. HISTORIA DE LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS
El efecto piezoeléctrico fue descubierto en 1880 por los hermanos Curie y utilizado en una
aplicación práctica por primera vez por Paul Langevin en la fabricación de sonares durante la
primera guerra mundial. Langevin utilizó cristales de cuarzo acoplados a masas metálicas
(inventado o transductor tipo Langevin) para generar ultrasonido en la faja de las decenas de
kHz. Después de la primera guerra mundial, debido a la dificultad de excitar transductores
construidos con cristales de cuarzo ya que demandaban generadores de alta tensión, se inicio
la búsqueda de materiales piezoeléctricos sintéticos.
Estos esfuerzos llevaron al descubrimiento y perfeccionamiento, durante las décadas del
40 y 50, de las cerámicas piezoeléctricas de Titanato de Bario por la entonces URSS y Japón,
y de las cerámicas piezoeléctricas de Titanato Zirconato de Plomo (PZT’s) por los EUA.
El desarrollo de las cerámicas piezoeléctricas fue revolucionario. Los nuevos materiales
además de presentar mejores propiedades que los cristales después de “polarizados”, también
permiten geometrías y dimensiones flexibles por ser fabricadas a través de sinterización de
polvos cerámicos y conformados vía prensado o extrusión. Actualmente las cerámicas
piezoeléctricas tipo PZT, en sus diversas variaciones, son las cerámicas predominantes en el
mercado. También podemos encontrar otros materiales, como por ejemplo el PT (PbTiO3) y
el PMN (Pb (Mg1/3Nb2/3) O3), utilizados en dispositivos que exigen propiedades especiales
3
y muy específicas, como transductores para alta temperatura, para imagen y para ensayos no
destructivos.
Las cerámicas piezoeléctricas son cuerpos macizos semejantes a los utilizados en aislantes
eléctricos, ver Fig. 1; son constituidas de innumerables cristales ferroeléctricos microscópicos,
siendo inclusive denominadas como policristalinas.
Figura 1. Ejemplos de Cerámicas Piezoeléctricas Comerciales.
3. PIROELECTRICIDAD
3.1.
EFECTO PIROELÉCTRICO
De forma general la piroelectricidad es la propiedad que tienen algunos materiales de
generar una corriente eléctrica provocada por una alteración de temperatura. Para que el
fenómeno de la piroelectricidad sea verificado en un material específico, este debe presentar
polarización espontánea, o sea, ausencia de un campo eléctrico externo. Siendo así veamos
cuáles son los materiales que pueden presentar piroelectricidad.
Para que un sólido cristalino presente polarización espontánea, no puede ser centro
simétrico, es decir, el centro de cargas negativas no puede coincidir con el centro de cargas
positivas al nivel de la cela unitaria. En la Figura 2 están representados dos materiales; uno
centro simétrico (Figura 2a), y el otro no centro simétrico (Figura 2b). Se puede observar que
el material no centro simétrico presenta el ion positivo desplazado del centro de las cargas
negativas. Esto hace que en cada cela unitaria haya un momento dipolar eléctrico. La
polarización es una propiedad macroscópica de los materiales y consiste en la suma de estos
momentos de dipolo eléctrico por unidad de volumen.
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Figura 2. Estructura Perovskita. a) Material centro simétrico, b) Material no centro simétrico.
El hecho de que un material no sea centro simétrico, no es suficiente para que él presente
polarización espontánea, ya que esos dipolos, al nivel de la cela unitaria, no están todos
orientados en la misma dirección, por lo que puede darse el caso que ellos se destruyan
mutuamente haciendo que la suma total sea cero, por lo que no ocurre la polarización
espontánea.
Todos los sólidos cristalinos pueden clasificarse de acuerdo a su simetría en 32 clases
cristalinas. De esas 32 clases, 12 son centro simétricas y por tanto no presentan
piroelectricidad. Las 20 clases restantes (no centro simétricas) pueden presentar el fenómeno
de la piezoelectricidad, aunque solamente 10 clases pueden poseer propiedades piroeléctricas.
Un cristal tiene una estructura periódica de celas unitarias en todo el material. Por otro
lado, una cerámica (o policristal) está formada por muchos cristales distribuidos al azar que
son llamados granos (ver Figura 3). Así, una cerámica nunca podría presentar polarización,
presentar polarización, pues aunque sus celas unitarias presentan momentos de dipolos
permanentes, la suma de estas en el volumen de la cerámica es cero.
5
Figura 3. a) Interior de una cerámica con los granos distribuidos al azar. b) Representación
esquemática de un grano.
Como un subconjunto de los materiales que presentan polarización espontánea
(piroeléctricos) se pueden encontrar algunos, que además de tener polarización espontánea
permite que esta sea orientada mediante la aplicación de un campo eléctrico externo (ver
Figura 4). Los materiales con esas propiedades son llamados de ferroeléctricos:
Materiales Ferroeléctricos: Materiales que poseen polarización espontánea y que cuando
son sometidos a un campo eléctrico externo se polarizan en la dirección del campo eléctrico
externo. Cuando el campo eléctrico es retirado, quedan polarizados en esa dirección
(polarización reminiscente).
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Figura 4. Ciclo de Histéresis (P vs E) de un material ferroeléctrico.
Siendo así, si tenemos una cerámica ferroeléctrica y la colocamos en un campo eléctrico
externo, por un tiempo determinado, al retirar el campo eléctrico habrá una polarización
espontánea en dirección a la aplicación del campo. Las cerámicas sometidas a ese
procedimiento
son
llamadas
de cerámicas
ferroelétricas
polarizadas
y presentan
piroelectricidad.
Resumiendo, de todos los materiales cristalinos que existen, solamente los no centros
simétricos presentan piezoelectricidad. Como un subconjunto de los piezoeléctricos se
encuentran los piroeléctricos, que son aquellos que además de ser no centro simétrico,
presentan polarización en la ausencia de un campo eléctrico externo (polarización
espontánea). Algunos de los piroeléctricos son también ferroeléctricos porque tiene la
habilidad de cambiar la dirección de la polarización espontánea en la dirección de un campo
eléctrico externo. Una cerámica ferroeléctrica no polarizada tiene una polarización espontánea
igual a cero. Después de polarizada la polarización espontánea y no es cero en ninguna
dirección, por lo que presentará el efecto piroeléctrico.
La polarización espontánea depende de la temperatura. Existe una temperatura específica
para cada material, llamada de temperatura de transición o temperatura de Curie, donde el
material experimenta un cambio de simetría, pasando de no centro simétrico a centro
simétrico y, por tanto, tornándose un material piroeléctrico y sin polarización espontánea. Esta
transición puede ser de dos tipos, dependiendo del material:
7
1ra orden: La polarización mantiene un valor casi constante con el aumento de la
temperatura hasta llegar a la temperatura de transición, donde cae abruptamente a cero (ver
Figura 5)
2da orden: La polarización va descendiendo a los pocos con el incremento de la
temperatura hasta hacerse cero en la temperatura de transición. (Ver Figura 5).
Figura 5. Transiciones de Fase de primera y segunda orden.
El efecto piroeléctrico puede ser descrito a través de un coeficiente (p-coeficiente
piroeléctrico) y no es más que la tasa de cambio de la polarización con la mudanza de
temperatura:
dP = pdT o p =
dP
dT
Retomando la Figura 5, se puede observar que en los materiales con transición de fase de
1ra orden, la tasa de cambio de polarización con la temperatura es prácticamente cero hasta la
temperatura de transición, donde se hace infinita. Estos materiales presentan altos coeficientes
piroeléctricos, pero solamente en una única temperatura. Por eso no es conveniente utilizar
estos materiales en aplicaciones piroeléctricas. Por otro lado, los materiales con transición de
fase de 2da orden presentan una tasa de cambio de polarización con la temperatura no nula
(coeficiente piroeléctrico) en un rango de temperatura más larga y es por eso que
frecuentemente son utilizados como sensores de diferentes tipos.
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Arriba fue mencionado que la piroelectricidad, en esencia, es la propiedad que tienen
ciertos materiales de generar corriente eléctrica mediante un cambio de temperatura y hasta
ahora solamente fue mencionado el cambio de polarización con la temperatura. Siendo así,
veamos como el cambio de polarización de un material puede generar una corriente eléctrica.
Supongamos un capacitor plano paralelo al piroeléctrico ocupando el espacio entre las placas
como aparece representado en la Figura 6a. La polarización espontánea que presenta el
piroeléctrico provoca una acumulación de cargas eléctricas en las placas del capacitor como
se observa en la Figura 6b. De esta forma, si la temperatura del material es incrementada hasta
una temperatura próxima a la de transición, en el rango donde él comience a despolarizarse, la
disminución de la polarización provocará que algunas cargas de las placas del capacitor, que
anteriormente estaban encendidas, queden libres. Así, cortocircuitando las placas del capacitor
podrá observarse una corriente circulando por el cable (Figura 6c). Esta corriente es llamada
de corriente piroeléctrica y puede ser ampliamente explorada en el área de sensores y
equipamientos de imágenes térmicas.
Figura 6. Representación de la aparición de una corriente debido a la despolarización del
material piroeléctrico (corriente piroeléctrica).
3.2.
EFECTO PIROELÉCTRICO PRIMARIO Y SECUNDARIO
Existen dos tipos de efectos piroeléctricos. El efecto piroeléctrico primario es causado por
el cambio de la polarización del material con la variación de la temperatura y fue descrito
anteriormente. Por otro lado, fue comentado anteriormente que todos los piroeléctricos son
piezoeléctricos. Los piezoeléctricos tienen la propiedad de deformarse al ser sometidos a un
campo eléctrico externo, además tienen la propiedad inversa, o sea, generar un campo
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eléctrico al ser deformados. De esta manera, al aumentar la temperatura de un material
piroeléctrico, este se puede deformar por dilatación térmica y esa deformación puede generar
un campo eléctrico en dos superficies opuestas del material. Así si depositamos electrodos en
las superficies y las cortocircuitamos aparecerá una corriente eléctrica a través del alambre.
Este otro efecto, que se debe a las propiedades piezoeléctricas de los materiales piroeléctricos,
es llamado de efecto piroeléctrico secundario.
Todo lo descrito arriba es válido para materiales piroeléctricos en forma de cristales o de
cerámicas ferroeléctricas polarizadas. Pero cuando se trabaja con cerámicas ferroeléctricas
polarizadas se debe tomar cuidado en un ponto específico. Como se explico anteriormente, las
cerámicas ferroeléctricas precisan ser sometidas a un campo eléctrico externo para quedar
polarizadas al retirar el campo. Si después de polarizadas, la temperatura de estas llega a ser
mayor que su temperatura de transición, ellas se despolarizan como cualquier otro
piroeléctrico, pero con la diferencia de que si la temperatura es disminuida nuevamente
debajo de la temperatura de transición, las cerámicas quedan despolarizadas y será necesario
un nuevo proceso de polarización.
3.3.
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS MATERIALES PIROELÉCTRICOS.
El suceso de detectores infrarrojos que usan detectores piroeléctricos es por la simplicidad
de los dispositivos que resultan, particularmente por el desarrollo de circuitos integrados con
alta impedancia de entrada, que permite el procesamiento de señales pequeñas en equipos de
pequeños volúmenes.
3.3.1. Detectores de un elemento.
Los detectores de un elemento tienen la desventaja que cualquier variación de temperatura
a su alrededor, podrá crear una corriente de salida, además de eso, llevando en consideración
que estos materiales son piezoeléctricos, alguna vibración a su alrededor también podría
alterar.
Para minimizar estos efectos se colocan dos electrodos en una de las superficies del
material y en la otra solamente uno, de manera que queden dos capacitores en serie. Las
partes del material piroeléctrico, correspondientes a cada uno de los capacitores, son
polarizadas en sentido contrario, como es mostrado en la Figura 7.
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Figura 7. Esquema del detector de un elemento.
Solamente uno de los electrodos será expuesto a la radiación que se quiere detectar, pero
los dos estarán expuestos a las interferencias térmicas y acústicas de su ambiente, por este
motivo, las señales correspondientes a cada uno de los elementos se cancelarán y no se
obtendrá ninguna señal de salida a partir de las fuentes de interferencia.
Usando el hecho de que un hombre en movimiento es una fuente de radiación que varía en
el tiempo, se puede usar detectores de un elemento para la fabricación de alarmas de presencia
La longitud de onda λm de la radiación emitida con máxima potencia por un cuerpo negro a
una temperatura T (K), está dado por:
λm =
2944
µm
T
Entonces si el cuerpo se encuentra a 310K, emitirá con potencia máxima una longitud de
onda de 9.5µm, y los materiales de PZ modificados, absorberán fuertemente esa radiación.
En la Figura 8, se puede observar el principio de una alarma de presencia. El detector es
colocado en el enfoque de un sistema de espejos parabólicos que aumentarán la variación de
la potencia incidente, en cuanto la fuente se va desplazando de una zona cubierta por un
espejo a otra.
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Figura 8. Esquema de un alarme de presencia.
Puede ser usado un filtro de ondas para absorber la radiación con longitud de onda menor
que 6-7µm, de esta manera es posible apagar el efecto que podría causar la luz en el detector.
Este tipo de alarme de presencia puede detectar un hombre a 100 m de distancia del detector.
Los dispositivos piroeléctricos pueden ser usados como detectores de fuego, en este caso
son conectados a filtros de ondas que respondan solamente al rango de frecuencia entre 540Hz, que cubre la región de frecuencia de las chamas.
Gases con fuertes rangos de absorción en el infrarrojo se pueden detectar colocando un
filtro de onda apropiado frente al elemento piroeléctrico, haciendo pasar un haz de radiación
aproximadamente de 30Hz a través de la atmósfera a ser estudiada y comparando con otro
detector de referencia libre del gas. El dióxido de carbono que tiene un rango de absorción
para 4.3µm es monitoreado de esta forma.
3.3.2. Dispositivos térmicos para imágenes.
Una de las formas de dispositivos térmicos para imágenes, es el vidicón, mostrado en la
Figura 9. El elemento piroeléctrico es una placa de un material piroeléctrico adecuado,
localizado próximo a uno de los extremos de un tubo vacío, que tiene un injerto de electrones
en el otro extremo. La radiación es focalizada usando un lente de germanio en una de las caras
de la placa, que es cubierto por un electrodo transparente, la otra cara es barrida por un eje de
electrones. Una rejilla cerca de la superficie de la placa es conectada a un potencial positivo
suficiente para atraer una parte de los electrones del eje.
La radiación incidente en la superficie opuesta al eje de electrones produce una carga en la
cara expuesta al eje y altera el potencial en esta cara. El eje del electrón entonces deposita
suficiente carga para restablecer el potencial anterior.
12
Figura 9. Esquema del vidicón.
Una señal de vídeo es generado en el circuito conectado al electrodo del frente mediante
acoplamiento capacitivo. La señal de vídeo es amplificada y observada a través de un monitor
de televisión convencional.
Para obtener buena resolución espacial, es preciso materiales con baja conductividad
térmica, debido a la difusión térmica lateral en la placa reducir la resolución. Esta dificultad
puede ser superada mediante el uso de placas reticuladas como la mostrada en la Figura 10.
Figura 10. Micrografía de un piroeléctrico reticulado para ser usado en vidicón.
Imágenes obtenidas en una noche oscura usando placas reticuladas, mediante un equipo de
vidicón pudieron ser observadas. Ver en la Figura 11.
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Figura 11. Imágenes obtenidas en una noche oscura, usando una cámara con vidicón y con
una placa piroeléctrica reticulada.
Existe una técnica alternativa para la obtención de imágenes a partir de radiación
infrarroja evitando el uso del inyector de electrones. En esta técnica la superficie atrás de la
placa piroeléctrica, es cubierta por una rejilla de un material foto-emisivo, que es iluminado
usando una lámpara. Los fotoelectrones emitidos de la rejilla son proyectados en una pantalla
fosfórica. Cuando la radiación infrarroja es absorbida en la parte frontal de la placa
piroeléctrica, se produce un campo en la cara opuesta que modula la eficiencia de fotoemisiones en la rejilla y el brillo obtenido en la pantalla fosfórica. De esta forma es posible
obtener una imagen a partir de la radiación incidente.
4. EFECTO ELECTROESTRICTIVO
El conocimiento del electoestrictivo es fundamental cuando se desea estudiar materiales
piezoeléctricos.
Cuando un campo eléctrico es aplicado a un material dieléctrico, este causa una
deformación proporcional al cuadrado de la intensidad del campo eléctrico. Ese efecto es
llamado de efecto electroestrictivo. La electrostricción es un efecto cuadrático y la
deformación electroestrictiva no está relacionada a la señal del campo eléctrico aplicado. De
hecho, la electrostricción es resultado de la polarización inducida durante la aplicación del
campo. La deformación electroestrictiva es proporcional al cuadrado de tal polarización.
Según lo
comentado arriba, se puede diferenciar electroestrictivo y el efecto
piezoeléctrico a través de 3 factores fundamentales:
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Efecto electroestrictivo:
Deformación proporcional al cuadrado de la polarización (cuadrado del campo eléctrico
externo).
Sea el campo eléctrico positivo o negativo, la deformación electroestrictiva siempre será
en la misma dirección.
Pode ser observado en todos los materiales dieléctricos.
Efecto Piezoeléctrico:
Deformación linear con la polarización (linear al campo eléctrico externo).
La deformación del material (estiramiento o compresión) depende de la señal del campo
eléctrico externo y del coeficiente piezoeléctrico.
Solamente se puede observar en materiales dieléctricos con ciertas características de
simetría (no centrosimétricos).
El conocimiento de esas diferencias es fundamental si queremos caracterizar un
piezoeléctrico por método estático. Por ejemplo, cuando se quiere utilizar un piezoeléctrico
como actuador es común ser caracterizado por métodos estáticos, o sea, aplicando un campo
eléctrico en una dirección específica del material y midiendo la deformación en las diferentes
direcciones. En ese tipo de caracterización pueden encontrarse ambos superpuesto efectos
(piezoeléctrico y electroestrictivo) lo cual provocaría un error en el cálculo de los coeficientes
piezoeléctricos. Una forma de comprobar esa dificultad es aumentando la temperatura del
material por encima de la temperatura de transición de manera que logre eliminar a
polarización espontánea y deje el material como un dieléctrico común (centrosimétrico). En
esas condiciones se aplica un campo eléctrico externo y se mide la deformación para conocer
el componente electroestrictiva. Más tarde, en temperaturas inferiores a la temperatura de
transición se repite la misma operación y se sustrae el componente electroestrictiva, dejando
“limpio” el componente piezoeléctrico para el cálculo de los coeficientes. Existen técnicas
ópticas que permiten medir deformaciones hasta 10-2 Å.
5. PROPIEDADES ÓPTICAS (EFECTO ELECTRO-ÓPTICO)
Los materiales piezoeléctricos transparentes (cristales o cerámicas transparentes)
presentam propiedades que pueden ser extensamente aplicadas. De acuerdo con la simetría,
los materiales pueden ser clasificados en ópticamente isotrópicos u ópticamente aniso
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trópicos. Un ejemplo del primer tipo son las cerámicas ferroeléctricas no polarizadas. En el
rango visible del espectro electromagnético, la permisibilidad eléctrica de un medio εr (εr =
ε/ε0, ε0-permitividad eléctrica del vacuo) es igual a n2, donde n es el índice de refracción
óptica. Considerando un medio anisotrópico, donde los 3 ejes principales del cristal coinciden
con un sistema coordenado XYZ, se tiene:
εx / ε0 = n12,
εy / ε0 = n22,
εz / ε0 = n32
Las propiedades ópticas de una sustancia pueden ser afectadas por una tensión mecánica
externa debido al efecto de foto-elasticidad, lo cual, es llamado comúnmente de efecto elastoóptico o piezo-óptico y puede ocurrir en todos los cristales incluyendo piezoeléctricos. Por
otra parte, en cristales que no pertenecen al grupo de simetría centrosimétricos
(piezoeléctricos), los índices de refracción son afectados por campos eléctricos externos. Esto
es llamado de efecto electro-óptico.
La permisividad dieléctrica de un material expuesto a una radiación en el rango de lo
visible, depende de la distribución de esas cargas (con el aparecimiento de una polarización)
y en una leve deformación de la red iónica. Este resultado es refletado en una alteración en la
permisividad eléctrica y, por tanto, en los índices de refracción.
Existen 2 tipos de efectos electro-ópticos: linear y cuadrático. El último puede ser
observado en medios ópticamente isotrópicos tales como vidrios, líquidos y cerámicas
ferroeléctricas no polarizadas.
1
∝ E → Efecto electro-óptico linear.
n2
1
∝ E 2 → Efecto electro-óptico cuadrático.
2
n
A seguir, algunas aplicaciones del efecto electro-óptico:
Guías de onda ópticas integradas.
Deflectores de haces de luz.
Multiplicadores de frecuencia óptica
Hologramas
Lentes de foco sintonizable
Desplayes
Otros
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6. FABRICACIÓN DE CERÁMICAS PIEZOELÉCTRICAS
El primer paso en la fabricación de una cerámica piezoeléctrica es la selección de la
composición deseada (incluyendo dopantes) teniendo en cuenta la aplicación que se le dará a
esta cerámica. Más delante, en este curso, serán presentados criterios detallados de los
principales tipos de cerámicas piezoeléctricas y sus respectivas aplicaciones. Por eso, en esta
sección, será seleccionado para ejemplificar, una composición ampliamente utilizada en
cerámicas piezoeléctricas para diferentes aplicaciones: PbZr0.52Ti0.48O3 + 1% wt Nb2O5 o
comercialmente chamado PZT soft.
Una vez seleccionada la estequiometria deseada se debe investigar por los precursores,
que mezclados en las proporciones adecuadas reaccionando formarán la composición final. Es
importante resaltar que los precursores, utilizados en la fabricación de cerámicas
piezoeléctricas, son óxidos (o sales) comunes que pueden ser encontradas fácilmente en la
naturaleza, (ver Figura 12), pero deben estar procesadas y con purezas superiores a 99%. En
nuestro ejemplo, los precursores necesarios son PbO, ZrO2, TiO2 e Nb2O5. Ahora veamos en
qué proporciones se deben mezclar estos óxidos para obtener la composición final deseada.
Inicialmente debemos calcular la masa molar de cada uno de nuestros regentes y del
compuesto final:
µ ( PbO) = µ ( Pb) + µ (O) = 207,2 g / mol + 16 g / mol = 223,2 g / mol
µ ( ZrO2 ) = µ ( Zr ) + 2µ (O) = 91,22 g / mol + 32 g / mol = 123,22 g / mol
µ (TiO2 ) = µ (Ti ) + 2µ (O) = 47,90 g / mol + 32 g / mol = 79,9 g / mol
µ ( PbZr0,52 Ti 0, 48 O3 ) = µ ( Pb) + 0,52µ ( Zr ) + 0,48µ (Ti ) + 3µ (O) =
= (207,2 + 47,43 + 22,99 + 48) g / mol = 325,62 g / mol
Ahora, por simples regla de 3 se puede calcular la cantidad que debemos mezclar de cada
uno de los regentes para obtener en el final, por ejemplo, 100g de PbZr0.52Ti0.48O3. Veamos:
PbO →
m( PbO)
100 g
=
→ m( PbO) = 68,5461g
µ ( PbO) µ (PbZr0.52 Ti 0.48 O 3 )
ZrO2 →
m( ZrO2 )
0,52 × 100 g
=
→ m( ZrO2 ) = 19,6776g
µ ( ZrO2 ) µ (PbZr0.52 Ti 0.48 O 3 )
TiO2 →
m(TiO2 )
0,48 × 100 g
=
→ m(TiO2 ) = 11,7781g
µ (TiO2 ) µ (PbZr0.52 Ti 0.48 O 3 )
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Figura 12. Minerales de donde se extraen los precursores de algunas cerámicas
piezoeléctricas. a) Litarge – óxido de chumbo, b) brookite – óxido de titanio.
Después de calculadas las cantidades de cada regente se debe adicionar el dopante (si
fuera necesario), que en nuestro caso es Nb2O5. El dopante generalmente es adicionado como
porcentaje en peso. En ese caso, basta con adicionar 1g de Nb2O5 por cada 100g de:
PbZr0.52Ti0.48O3, para obtener 1% en peso (wt). Una vez bien mezclados los regentes, estos
deben ser colocados en un horno para que ocurra la reacción (en estado sólido) necesaria para
la formación del compuesto final. Este estajeo es llamado de calcinación. La temperatura de
calcinación varía de un material para otro y generalmente es determinada por la realización
de varios testes en diferentes temperaturas y controlando si ocurre o no la reacción.
Después de obtenido el compuesto deseado se debe proceder a la conformación de la
cerámica. Para eso, inicialmente los polvos cerámicos deben ser colocados en moldes con
formas que dependan de la forma final con que se desea obtener la cerámica (discos, cilindros,
barras, etc) y sometidos a una presión para compactarlos en esa forma. Después de la
compactación se debe proceder a la quema o sinterización. Ese proceso requiere de
temperaturas elevadas con valores que varían de una composición a otra y tiene como
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objetivo la obtención de un cuerpo cerámico con densidad próxima a la densidad teórica del
material.
Hasta este punto fue explicado cómo pude ser fabricado un cuerpo cerámico, mas para
utilizar a cerámica como un piezoeléctrico precisa-se de algunos otros pasos. Como será visto
posteriormente, a frecuencia característica o de ressonância de uma cerâmica piezoelétrica
depende de suas dimensões, portanto, a superfície da cerâmica deve ser o mais regular
possível para evitar ressonâncias espúrias que venham a interferir na aplicação da cerâmica.
Para evitar eso, las cerámicas deben ser adecuadamente pulidas y en algunos casos cortadas,
dependiendo de las dimensiones finales deseadas. Después que los blocos de cerámicas están
debidamente cortados y pulidos, deben ser polarizados, como fue explicado anteriormente.
Para polarizar la cerámica, esta debe ser convertida en capacitor plano paralelo, siendo la
cerámica o dieléctrico en el interior del capacitor. Para eso, deben ser depositados electrodos
en dos caras opuestas, dependiendo de la dirección en que se desea polarizar la cerámica.
Existen varias técnicas para la disposición de electrodos en materiales, pero la que más se
utiliza comercialmente es la deposición de tinta de plata en la superficie de la cerámica.
Finalmente, para completar el proceso de polarización, el material debe ser sometido a un
campo eléctrico elevado (de la orden de los kV/mm) para orientar los dipolos e inducir la
polarización espontánea después de retirado el campo eléctrico. Después de realizado ese
proceso, estamos en presencia de una cerámica piezoeléctrica lista para ser utilizada en
aplicaciones piezoeléctricas. Vea en la Figura 13 una cerámica comercial de PZT soft con
electrodos de plata.
Figura 13. Cerámica comercial (ATCP) de PZT-5A (Soft) con electrodos de plata y
polarizada.
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