Cerámica piezoeléctrica

Cerámica piezoeléctrica

Funcionamiento

Las cerámicas piezoeléctricas son cuerpos macizos semejantes a las utilizadas en aisladores eléctricos, ellas están constituidas por innumerables cristales ferroeléctricos 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 respectivamnete. 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 manisfestaciones 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 [4].

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” tambiém 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 continuacion las características 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 perdidasas mecánicas y dieléctricas. Propriedades 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 absoleto conla llegada de los PZT’s, siendo substituido principalmente por el Navy Type I (conforme nota de rodapé 5, o sub-grupo Navy Type IV es constituido por BT’s y no por PZT’s). Posee baja TC. Principales aplicaciones: manutención de equipos antiguos. Conocido comercialmente como Titanato de Bário.

Navy Type V (“Soft”) Adecuado para aplicaciones que requieren alta energía y diferencia potencial. Propiedades destacadas: d33, K33 y g33. Principales aplicaciones: detonadores de impacto. Comercialmente conocida como PZT-5J.

Navy Type VI (“Soft”) Adecuado para aplicaciones que requieren grandes deformaciones mecánicas. Propiedades destacadas: d 33 y K 33. Principales aplicaciones: actuadores y posicionadores. Comercialmente conocida como PZT-5H.

Constantes piezoeléctricas

Las principales

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