Materiales Piezoeléctricos PDF

Preview

Summary

Download Materiales Piezoeléctricos PDF

Description

Materiales Piezoeléctricos La piezoelectricidad descubierta en el año de 1880 por los hermanos Jacques y Pierre Curie, es el nombre dado al fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también ocurre a la inversa, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma. Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen cargas de signo opuesto. Los materiales piezoeléctricos más comunes son cristales naturales como el cuarzo, la turmalina, la sal de Rochelle, etc. Ahora que sabemos que es la piezoelectricidad podemos definir y saber el funcionamiento de los cerámicos piezoeléctricos. Las cerámicas piezoeléctricas pertenecen al grupo que da mayor flexibilidad de formato y de propiedades, siendo ellas ampliamente utilizadas en la fabricación de equipos industriales, específicamente en sistemas de limpieza, equipos de soldadura por ultrasonido, para ensayos no destructivos y equipos para monitorear vibraciones. El elemento activo en la mayoría de los dispositivos y transductores ultrasónicos es un elemento piezoeléctrico, que puede pertenecer a uno de estos grupos: cristales de cuarzo, hidrosolubles, mono cristales, semiconductores piezoeléctricos, cerámicas piezoeléctricas, polímeros y compuestos piezoeléctricos. Funcionamiento Las cerámicas piezoeléctricas son cuerpos macizos semejantes a las utilizadas en aisladores eléctricos, ellas están constituidas por innumerables cristales ferro eléctricos microscópicos llegando a denominarse como policristalinas. Particularmente en las cerámicas del tipo PZT, esos pequeños cristales poseen estructuras cristalinas tipo Perovskita, pudiendo presentar simetría tetragonal, romboédrica o cúbica simples, teniendo en cuenta la temperatura en la que el material se encuentre. Estando por debajo de una temperatura crítica, conocida como Temperatura de Curie, la estructura Perovskita presentará la simetría tetragonal donde el centro de simetría de las cargas eléctricas positivas no coincide con el centro de simetría de las cagas negativas, dando origen a un

dipolo eléctrico. La existencia de este dipolo provoca que la estructura cristalina se deforme en presencia de un campo eléctrico y genere un desplazamiento eléctrico cuando es sometida a una deformación mecánica, caracterizando el efecto piezoeléctrico inverso y directo respectivamente. La deformación mecánica o la variación del dipolo eléctrico de la estructura cristalina de la cerámica no necesariamente implica efectos macroscópicos, ya que los dipolos se organizan en dominios, que a su vez se distribuyen aleatoriamente en el material policristalino. Para que ocurran manifestaciones macroscópicas es necesario una orientación preferencial de estos dominios, conocida como polarización. Inclusive esta polarización se desvanece con el tiempo y el uso, inutilizando el material para la transformación de energía eléctrica en mecánica. Clasificación Cuando se aplica un campo eléctrico alterno en una cerámica piezoeléctrica y se mide la polarización inducida en función del campo, se observará el fenómeno de histéresis ferroeléctrico. El área interna de esta curva corresponde a la energía disipada en forma de calor, debido a las pérdidas mecánicas y dieléctricas. La clasificación principal de los materiales piezoeléctricos es basada en gran medida al área de esta curva, siendo denominada como materiales “ Hard” aquellos que presentan una curva de histéresis cerrada, con el área pequeña, y como materiales “ Soft”, aquellos que presentan una curva de histéresis abierta, con área expresiva. Los materiales “Hard” también son denominados materiales de alta potencia y los “Soft”, materiales de alta sensibilidad. Existe una norma de la marina americana que divide los materiales “Hard” y “Soft” en sub-grupos, a través de los intervalos de propiedades y de acuerdo con las principales aplicaciones. Esta norma [5] a menudo la utilizan como referencia los investigadores y diseñadores para crear las tablas de equivalencia entre los distintos fabricantes de cerámica piezoeléctrica y facilitar la elección de los materiales y el cambio de proveedor. A continuación, presentaremos algunos de los subgrupos: 

Navy Type I (“Hard”) Recomendado para aplicaciones de media y alta potencia en condiciones de uso continuo y repetitivo. Este es capaz de generar altas amplitudes de vibraciones manteniendo bajas las perdidas mecánicas y dieléctricas. Propiedades de destaque: d33, disipación dieléctrica y Q. Principales aplicaciones: Sistemas de limpieza por ultrasonido y sonares. Conocido comercialmente como PZT-4.



Navy Type II (“Soft”) Alta sensibilidad, ideal para la transmisión y recepción de los dispositivos de baja potencia. Presenta perdidas dieléctricas y mecánicas que impiden la excitación continua con alta intensidad. Propiedades de destaque: d, g15, N y TC. Principales aplicaciones: Dispositivos para ensayos no destructivos, hidrófonos y acelerómetros. Comercialmente conocida como PZT-5A.



Navy Type III (“Hard”) Similar, pero menos sensible que el Navy Type I; es capaz de convertir el doble de potencia manteniendo bajas las pérdidas mecánicas y dieléctricas. Recomendado para aplicaciones que precisen de alta potencia. Propiedades de destaque: Disipación dieléctrica, Q y conversión de potencia máxima. Principales aplicaciones: sistemas de soldadura por ultrasonidos y procesamiento de materiales. Comercialmente conocida como PZT-8.



Navy Type IV (“Soft”) Adecuado para aplicaciones de potencia media. Se tornó obsoleto con la llegada de los PZT’s, siendo substituido principalmente por el Navy Type I. Posee baja TC. Principales aplicaciones: manutención de equipos antiguos. Conocido comercialmente como Titanato de Bário.

Significado de abreviaciones sobre las características 

Constante de carga piezoeléctrica (d)

Unidad: m/V (metros/Volt) o C/N (Coulombs/Newton) Significado: Informa cuál es la proporción entre la variación dimensional (Δl) del material piezoeléctrico (en metros) y la diferencia de potencial aplicada (en Volts), y entre la generación de cargas eléctricas (en Coulombs)y la fuerza aplicada en el material (en Newtons). 

Constante de tensión piezoeléctrica (g)

Unidad: Vm/N (Volts x metros/Newton). Significado: Informa cuál es la proporción entre la diferencia de potencial generada (en Volts) la fuerzaa aplicada (en Newton) para una cerámica con longitud de 1 metro. 

Factor de calidad mecánico (Q)

Unidad: Adimensional. Significado: Es una medida del amortiguamiento del material. 

Temperatura de Curie (TC)

Unidad: Graus Celsius. Significado: Es la temperatura donde la estructura cristalina del material sufre una transición de fase dejando de presentar propiedades piezoeléctricas. 

Constantes de frecuencia (N)

Unidad: Hz m (Hertz x metro). Significado: Es un factor importante ya que permite la estimación de la frecuencia de resonancia de los dispositivos piezoeléctricos. 

Impedancia acústica Z

Unidad: MRayls (kg/m2s). Significado: Es la manera con que la energía mecánica se propaga por el medio, es una propiedad análoga a la del índice de refracción.

La diferencia entre las impedancias acústicas de dos medios adyacentes es determinante de la fracción de la energía reflejada y transmitida de una onda que incide en la interfaz. Aplicaciones Las principales aplicaciones de las cerámicas piezoeléctricas son: 

  

  

Equipos médicos de imagen por ecografía Medidores de nivel y distancia por pulso-eco (los sensores de estacionamiento de autos son ultrasónicos). Equipos de limpieza por ultrasonidos Sensores de vibraciones y acelerómetro Máquinas de soldadura por ultrasonidos Transductores por ultrasonidos para ensayos no destructivos (END) Actuadores y motores piezoeléctricos

Fenómeno piezoeléctrico en las cerámicas Para ayudar a entender el efecto piezoeléctrico debemos considerar primero la microestructura del material. Desde el punto vista eléctrico de la cerámica piezoeléctrica pueden considerarse qué contiene dipolos elementales, Consistentes en una carga positiva y una negativa a cierta distancia. Antes del proceso de fabricación los dipolos no muestran preferencia por alguna dirección en particular de modo que en el material cerámico están orientados al azar. Cuándo se aplica un esfuerzo la suma de los desplazamientos de carga es cero tal que bajo estas condiciones el material no exhibirá un efecto piezoeléctrico. Para obtener actividad piezoeléctrica los tipos de Ben primero ser orientados, lo que sea seis poniendo el material cerámico a un fuerte campo eléctrico de extremo a alta temperatura no, más allá de la llamada temperatura Curie (recordemos que la temperatura Curie es aquella en qué la permeabilidad relativa de los materiales ferromagnéticos cae al valor 1). A esta temperatura los dipolos naturales desaparecen y son creados nuevamente en forma espontánea cuándo disminuyen la temperatura. Bajo estas condiciones polares los dipolos toman una dirección correspondiente a la muestra a la dirección del campo de polarización, con el resultado que el cuerpo de la cerámica muestra una elongación en la misma dirección. Después de remover el campo de polarización y enfriar el material los dipolos no pueden volver fácilmente a su posición original y lo que se obtiene es llamado polarización remanente del material cerámico. El cuerpo cerámico se ha convertido, en forma permanente, en piezoeléctrico y puede convertir en energía

mecánica en eléctrica y viceversa. Por eso es indispensable hacer a estos materiales un tratamiento de polarización, y usualmente la operación final se lleva a cabo conectando los electrodos para el material cerámico a una fuente de tensión continua Prácticamente las cerámicas piezas eléctricas están constituidas por mezclas policristalinas; titanatos de bario, de calcio, de plomo o de titanozirconatos de plomo. Se obtienen por compresión de polvo a alta temperatura, siendo moldeadas y cocidas en un horno. Las cerámicas pueden ser producidas en forma de discos, de bastones, de paralelepípedos, de tubos, de sectores cilíndricos y de semiesferas, que pueden ser ensambladas luego como esferas. Las piezas terminadas son provistas de electrodos de plata, cocidos a horno. Para ciertas aplicaciones la cara activa plateada de la cerámica es protegida por un esmalte vitrificado.

Conclusión Los materiales piezoeléctricos pueden convertir la tensión mecánica en electricidad, y la electricidad en vibraciones mecánicas, esto ha generado que con el paso del tiempo se desarrollaran nuevas formas de utilizar los materiales piezoeléctricos, uno de ellos son los piezoeléctricos cerámicos, los cuales presentan mayores cotas de aplicación, gracias a estos cerámicos los avances tecnológicos han tenido un gran avance, debido a su polarización ya que de esta forma se obtiene su forma requerida para después ser ensamblada como esfera y ser utilizada de la manera que se requiera.

Bibliografia

Ing. Adolfo F. González. (2009). Materiales piezoeléctricos y efecto piezoeléctrico. 2020, de IPN Sitio web: file:///E:/Escritorio/liverpool/piezoelectricidad.pdf Ecured. (2020). Piezoelectricidad. 2020, https://www.ecured.cu/Piezoelectricidad

de

Ecured

Sitio

web:...