Zirconato Titanato De Plomo -PZT

INTRODUCCIÓN

En cualquier escala de frecuencia o potencia, el elemento activo y núcleo de la mayoría de los transductores ultrasónicos es piezoeléctrico, pudiendo ser clasificados en uno de los siguientes grupos [1]:

• cerámicas piezoeléctricas,

• cristales de cuarzo,

• compuestos piezoeléctricos,

• cristales hidrosolubles,

• monocristales piezoeléctricos,

• semiconductores piezoeléctricos, y

• polímeros piezoeléctricos;

Lo que torna fundamental el conocimiento de las propiedades y del comportamiento electromecánico de estos materiales para toda empresa y profesional que trabaje con ultrasonido. Entre estos grupos, el de las Cerámicas Piezoeléctricas es el que presenta la mayor flexibilidad de formato y de propiedades, siendo largamente utilizadas en la fabricación de equipamientos ultrasónicos de potencia, de ensayos no destructivos y de actuadores. Los materiales piezoeléctricos también son utilizados en detonadores de impacto, generadores de chispas (magic clicks), nebulizadores, actuadores, posicionadores, transformadores y en diversas aplicaciones donde el efecto piezoeléctrico es útil.

El objetivo de este application note es posibilitar una visión general de los materiales piezoeléctricos, en especial de las cerámicas piezoeléctricas, con la visón de facilitar la utilización de estos materiales mediante la comprensión de sus propiedades y características por parte de los clientes de la ATCP Ingeniería Física.

HISTÓRIA

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 [2,3].

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 y muy específicas, como transductores para alta temperatura.

¿QUÉ SON Y CÓMO FUNCIONAN?

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. De izquierda a derecha: disco para equipamientos de ultrasonido para fisioterapia, tubo para sonares y anillo para máquinas de soldadura por ultrasonido.

Particularmente en las cerámicas tipo PZT, estos pequeños cristales poseen estructura cristalina tipo Perovskita, que presenta simetría tetragonal, romboédrica o cúbica simples, dependiendo de la temperatura en que el material se encuentra, ver Fig. 2. Estando bajo una determinada temperatura crítica, conocida como temperatura de Curie, la estructura Perovskita presenta la simetría tetragonal en que el centro de simetría de las cargas eléctricas positivas no coincide con el centro de simetría de las cargas negativas, dando origen a un dipolo eléctrico, como se ilustrado en el primer elemento de la Fig. 2.

Figura 2 - Estructura Perovskita de las cerámicas piezoeléctricas tipo PZT: 1) Debajo de la temperatura de Curie. 2) Por encima de la temperatura de Curie.

La existencia de este dipolo provoca que la estructura cristalina se deforme en presencia de un campo eléctrico generándose un dislocamiento eléctrico cuando sometida a una deformación mecánica, lo que caracteriza a los efectos piezoeléctricos inverso y directo respectivamente. La deformación mecánica o la variación del dipolo eléctrico de la estructura cristalina de la cerámica no implican necesariamente la presencia de efectos macroscópicos, visto que los dipolos se arreglan en dominios, que a su vez se distribuyen aleatoriamente en el material policristalino. Para que ocurran manifestaciones macroscópicas es necesaria una orientación preferencial de estos dominios, conocida como polarización1. Inclusive esta polarización desaparece con el tiempo y uso, inutilizando el material para la transformación de energíaeléctrica en mecánica [4,5].

En los sistemas de soldadura y limpieza por ultrasonido, por ejemplo, es utilizado el efecto piezoeléctrico inverso mediante la aplicación de un campo eléctrico alternado en una cerámica piezoeléctrica debidamente polarizada. Durante el proceso ocurre la transducción de una parte considerable de la energía de la excitación eléctrica en energía mecánica, a través de la deformación de la cerámica y consecuente generación de ultrasonido, ver Fig. 3.

Figura 3- Efecto piezoeléctrico inverso en un bastón de cerámica piezoeléctrica polarizado: Si se aplica un campo eléctrico en concordancia con la polarización de la cerámica se produce un alargamiento de la pieza; aplicando un campo con polaridad invertida la muestra se contrae.

PRINCIPALES CONSTANTES

En sólidos ordinarios, el dislocamiento eléctrico puede ser considerado una función exclusiva del vector campo eléctrico (E) y de las constantes dieléctricas (e); y la deformación mecánica (S)

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