Cerámicas Piezoeléctricas

Cerámicas Piezoeléctricas

En este trabajo se pretende definir y estudiar las cerámicas piezoelécrticas, que presentan una gran flexibilidad en comparación a otros polímeros piezoeléctricos o cristales hidrosolubles, viendo de forma general sus principales características, comportamiento, estructura y constantes. También se incluirá información ingenieril y electrónica mediante tablas de constantes y propiedades comúnmente usadas.

I. Piezoelectricidad

Historia y funcionamiento

La piezoelectricidad fue descubierta por Pierre y Jaques Curie en 1880 y fue utilizado en una aplicación práctica por primera vez por Paul Langevin en los sonares durante la primera guerra mundial. Langevin utilizó cristales de cuarzo acoplado a mazas metálicas (que se conoce posteriormente como transductor tipo Langevin) generando ultrasonido de baja frecuencia (del orden de los kHz).

Es una propiedad exhibida por ciertas clases de materiales cristalinos. Cuando una presión mecánica es aplicada sobre uno de estos materiales la estructura cristalina produce un voltaje proporcional a presión, y a la inversa, cuando un campo eléctrico es aplicado a uno de estos materiales, la estructura cristalina cambia de forma, produciendo cambios dimensionales en el material. Estos materiales son usados como transductores electromecánicos.

Propiedades piezoeléctricas surgen naturalmente en algunos materiales cristalinos y pueden ser inducidos en otros poli-cristalinos.

II. Cerámicas piezoeléctricas

Muchas aplicaciones contemporáneas de piezoelectricidad usan cerámicas poli-cristalinas en lugar de cristales piezoeléctricos. Estas cerámicas son más versátiles. Sus características físicas, químicas y piezoeléctricas pueden adaptarse a aplicaciones específicas. Las cerámicas son duras y densas, y pueden ser fabricadas en casi cualquier forma y tamaño. Son químicamente inertes, inmunes a la humedad y otras condiciones atmosféricas. Además los ejes mecánicos y eléctricos de estas cerámicas pueden ser orientados precisamente en relación a la forma de la cerámica. Estos ejes se ajustan durante la polarización, proceso que induce la propiedad de piezoelectricidad en las cerámicas. La introducción de un campo polarizado determina la orientación de los ejes mecánicos y eléctricos. El campo polarizado puede producir que la cerámica exhiba respuestas piezoeléctricas en varias direcciones o combinaciones de estas.

III. Comportamiento piezoeléctrico

El proceso de polarización permanentemente cambia la dimensión del elemento cerámico. En la figura 1 el volumen entre los electrodos polarizados aumenta mientras que paralela a los electrodos decrece.

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Figura 1. Efectos de polarización

Después de que el proceso se complete, un voltaje menor que el voltaje de polarización cambia el volumen de la cerámica por el tiempo en que el voltaje es aplicado, la cerámica vuelve a sus dimensiones originales cuando el voltaje es removido de sus electrodos.

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Figura 2.Comportamiento piezoeléctrico por voltaje aplicado

III.a. Voltaje Piezoeléctrico

Después de que el proceso de polarización se complete, fuerzas compresivas y tensionales son aplicadas al elemento cerámico generando un voltaje. Como indica la figura 3, un voltaje con la misma polaridad que la tensión de polarización provoca una fuerza compresiva, de la misma forma si el voltaje aplicado tiene una polarización diferente al elemento cerámico provoca una fuerza tensorial en el eje de polarización y una fuerza compresiva perpendicular al eje.

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Figura 3. Voltaje piezoeléctrico debido a fuerzas aplicadas.

III.b. Vibraciones y desplazamientos de la cerámica piezoeléctrica

Cuando la estructura cristalina de un material no tiene centro de simetría esta es no-centro simétrica. Un cristal con esta estructura tiene características anisotrópicas; las propiedades del material son distintas de acuerdo a la dirección de la medición, y la piezoelectricidad es una característica anisotrópica. La estructura cristalina no-centro simétrica proporciona una red de dipolos eléctricos dentro de la celda unitaria del cristal y cualquier dipolo se orientará a sí mismo en regiones llamados dominios.

Las cerámicas piezoeléctricas son materiales ferroeléctricos. Estos materiales tienen celdas unitarias no-centro simétricas bajo ciertas temperaturas y centro-simetría sobre esas temperaturas. Esta temperatura es la temperatura de Curie, sobre la temperatura de Curie estas cerámicas tienen estructura centro-simétrica y no presentan características piezoeléctricas.

Una cerámica es un material compuesto por muchos cristales o granos orientados al azar, teniendo uno o muchos dominios. Con estos dipolos orientados al azar el material es isotrópico y no exhibe el efecto piezoeléctrico. Por la aplicación de electrodos y un fuerte campo eléctrico D.C. los dipolos tenderán a alinearse paralelos al campo, eso provoca que el material tenga una polarización permanente (o remanente). Como indica la figura 4, no todos los dipolos pueden alinearse en la cerámica como un solo cristal, pero se alinean los suficientes para hacer el material piezoeléctrico. Luego de la polarización el material tiene polarización remanente (Pr) y

estrés remanente (Sr) como muestra la figura 5a y 5b.

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Figura 4 Alineamiento de dipolos, 5a curva de salto de histéresis y 5b histéresis con una contracción asociada respectivamente

Como esta cerámica polarizada está sujeta a estrés, la red distorsionada del cristal produce que muchos de los dominios crezcan a las expensas de otros, cambiando el momento total del material.

III.c Envejecimiento

Muchas de las propiedades de las cerámicas piezoeléctricas cambian gradualmente con el tiempo. Los cambios tienden a ser logarítmicos con tiempo, luego de la polarización. La velocidad de envejecimiento de varias propiedades depende de la composición de la cerámica y de la forma en que la cerámica fue procesada durante su fabricación. Porque los valores exactos de propiedades como la constante dieléctrica, acoplamiento, constantes piezoeléctricas solo pueden ser especificadas por un tiempo estándar después de la polarización.

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