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Materiales piezoeléctricos

Nº 3, 2010

Editorial

En este nuevo número del boletín de vigilancia sobre materiales inteligentes se trata el tema de los materiales piezoeléctricos, por su gran aplicabilidad y extensión desde su descubrimiento.

El efecto piezoeléctrico describe la relación entre una tensión mecánica y un voltaje eléctrico en sólidos. Es la capacidad de ciertos materiales –minerales, cerámicas y algunos polímeros- para producir una carga eléctrica en respuesta a un esfuerzo mecánico aplicado. También puede observarse el efecto inverso, en el que los materiales piezoeléctricos se deforman por la aplicación de un campo eléctrico.

A continuación se muestra esquemáticamente el efecto piezoeléctrico:

En el efecto piezoeléctrico directo, la compresión y la expansión de un material genera cargas eléctricas opuestas sobre las caras respectivas de la muestra. En el efecto piezoeléctrico inverso, la aplicación de un voltaje a un material piezoeléctrico produce una cierta deformación.

Este efecto es conocido desde hace más de un siglo y se lleva usando desde hace décadas en aplicaciones tan cotidianas como calentadores, cocinas, mecheros (al pulsar el botón, lo que hacemos es deformar un material piezoeléctrico hasta el punto que genera una chispa debido a la diferencia de potencial eléctrico).

Sumario

Editorial 1

Palabras clave 2

Visión actual 3

Publicaciones 3

Patentes 6

Proyectos en curso 9

Noticias 10

Eventos 12

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Materiales piezoeléctricos

Nº 3, 2010

La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por Jacques y Pierre Curie. Los hermanos Curie descubrieron que cuando se aplicaba una tensión a ciertos cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio y la sal Rochelle, aparecía una carga eléctrica, y su voltaje era proporcional a la tensión. De los materiales mencionados, solo el cuarzo se utiliza hoy en día comercialmente. Todos los demás cristales piezoeléctricos importantes desde el punto de vista práctico se obtienen de forma artificial.

Si bien los materiales piezoeléctricos monocristalinos se siguen desarrollando, los materiales piezoeléctricos más utilizados son los materiales cerámicos policristalinos y los polímeros. Estos materiales presentan carácter piezoeléctrico después de haber sido sometidos a una polarización artificial. La cerámica piezoeléctrica más empleada se denomina titanato zirconato de plomo (PZT). Su composición química es Pbx (TiZr)1-xO3. Una de las composiciones comercialmente más típicas contiene aproximadamente el 47% de PbTiO3 y el 53% de PbZrO3. El polímero piezoeléctrico más desarrollado es el poli (fluoruro de vinilideno) (PVDF).

Los materiales piezocerámicos tienen la propiedad de ser rígidos y dúctiles, por lo que son buenos candidatos para emplearlos como actuadores, debido a su gran módulo de elasticidad, lo cual facilita el acoplamiento mecánico con la estructura. En cambio, los piezopolímeros están mejor preparados para actuar como sensores porque añaden una rigidez mínima a la estructura dada su flexibilidad y además son de fácil elaboración. La forma más habitual de emplearlos es como sensores de contacto y transductores acústicos en forma de lámina delgada.

Los materiales piezoeléctricos han sido embebidos en materiales compuestos en aplicaciones como la amortiguación de vibraciones o la detección de impactos (como en los airbags, donde el material detecta la intensidad del choque y envía una señal eléctrica que activa el airbag).

Un ejemplo interesante es el de los sensores piezoeléctricos de distribución constante como es el caso de las pinturas piezoeléctricas o inteligentes. Este tipo de pintura puede prepararse utilizando polvo cerámico a base de titanato zirconato de plomo como pigmento y con resina epóxica como aglomerante. La mezcla se aplica sobre una superficie y se cura y polariza a temperatura ambiente. La película de pintura resultante actúa como un sensor de vibraciones y emisiones acústicas para la superficie entera.

Palabras clave

Las palabras clave utilizadas para la elaboración de este boletín han sido:

Piezoelectric Piezoeléctrico

Piezoelectricity Piezoelectricidad

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Materiales piezoeléctricos

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Visión Actual

Publicaciones

Para ver la evolución que ha tenido el estudio de los materiales piezoeléctricos en los últimos años, se han seleccionado los datos correspondientes a la publicación de artículos y publicaciones de conferencias entre el año 1980 y 2009. Para la realización de las búsquedas se ha utilizado la base de datos de la Web of Knowledge.

A continuación se presenta un gráfico con los resultados obtenidos.

Fuente: Elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge

Como resultado de la búsqueda se han obtenido un total de 40.000 artículos.

Podemos observar que aunque este tipo de materiales fueron descubiertos en el año 1880, cien años después aun no habían tenido un gran desarrollo. Es en el año 1991 cuando se observa un incremento en el estudio de estos materiales, tal y como ocurre también en otros materiales inteligentes como los materiales con memoria de forma.

Haciendo una búsqueda desde el año 2005 hasta la actualidad, para obtener datos más recientes y las últimas investigaciones realizadas en este ámbito, se han obtenido un total de 19.662 publicaciones, siendo las instituciones que poseen un mayor número de publicaciones las que se detallan a continuación:

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Materiales piezoeléctricos

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POSICIÓN INSTITUCIÓN Nº ARTÍCULOS

1 CHINESE ACAD SCI 465

2 PENN STATE UNIV 348

3 TSINGHUA UNIV 345

4 HONG KONG POLYTECH UNIV 272

5 HARBIN INST TECHNOL 253

6 INDIAN INST TECHNOL 223

7 TOKYO INST TECHNOL 198

8 NANYANG TECHNOL UNIV 192

9 NATL TAIWAN UNIV 192

10 GEORGIA INST TECHNOL 181

11 TOHOKU UNIV 164

12 NATL CHENG KUNG UNIV 160

13 NATL INST ADV IND SCI & TECHNOL 151

14 RUSSIAN ACAD SCI 147

15 ZHEJIANG UNIV 139

16 UNIV TOKYO 138

17 SHANGHAI JIAO TONG UNIV 135

18 UNIV NEBRASKA 129

19 HUAZHONG UNIV SCI & TECHNOL 126

20 HUNAN UNIV 121

21 NATL UNIV SINGAPORE 117

22 CNRS 116

23 CSIC 115

24 SEOUL NATL UNIV 115

25 SICHUAN UNIV 114

Como se puede observar, en los primeros puestos se encuentran instituciones Chinas, a excepción de la Penn State University de Estados Unidos que ocupa el segundo puesto.

De estas veinticinco instituciones solo una tiene nacionalidad española, el CSIC, que se encuentra en el puesto 23.

Para analizar más profundamente cuáles son los países que más están investigando desde el año 2005 en este campo se ha realizado el siguiente gráfico, que corresponde al porcentaje de publicaciones por países:

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Materiales piezoeléctricos

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Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge

Según los datos obtenidos, Estados Unidos es el país que en los últimos 5 años está publicando e investigando más en este tema, seguido de China y Japón, España representaría casi el 2% mundial.

Por último, en el apartado de artículos, cabe destacar aquellos de más relevancia. Para determinarlo se ha establecido el criterio de importancia mediante el número de citaciones producidas en otros documentos. De esta manera, se ha conseguido la lista de los siguientes cinco artículos:

Título Autor Fuente Vol. Nº Pág. Fecha pub.

A comprehensive review of ZnO materials and devices

Ozgur U, Alivov YI, Liu C, et al.

Journal of applied physics

98 4 Ago 2005

Revival of the magnetoelectric effect

Fiebig M Journal of physics d-applied physics

38 8 R123-R152

Abr 2006

Multiferroic and magnetoelectric materials

Eerenstein W, Mathur ND, Scott JF

Nature 442 7104 759-765

Ago 2006

Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays

Wang ZL, Song JH

Science 312 5771 242-246

Abr 2006

Direct-current nanogenerator driven by ultrasonic waves

Wang XD, Song JH, Liu J, et al.

Science 316 5821 102-105

Abr 2007

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Materiales piezoeléctricos

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A continuación se detallan algunos de los libros más recientes dedicados a los materiales piezoeléctricos:

Título Autor Editor Año edición

Piezoelectric Actuators: Control Applications of Smart Materials

Seung-bok Choi; Young-min Han

CRC Pr I Llc 2010

Piezoelectricity Heywang, Walter; Lubitz, Karl; Wersing, Wolfram

Springer 2008

Piezoelectric transducers and applications Arnau Vives, Antonio Springer 2008

Patentes

La primera aplicación que se obtuvo a partir de un material piezoeléctrico, tuvo lugar durante la Primera Guerra Mundial. En 1917, P. Langevin y otros compañeros empezaron a perfeccionar los detectores ultrasónicos submarinos. Este hecho estimuló una intensa actividad en el desarrollo de todo tipo de dispositivos piezoeléctricos. No obstante, los materiales disponibles en esa época a menudo limitaban el rendimiento de los dispositivos y su explotación comercial.

Durante la Segunda Guerra Mundial, en Estados Unidos, Japón y la Unión Soviética, grupos de trabajo aislados dedicados a investigar la mejora de los materiales condensadores, descubrieron que ciertos materiales cerámicos (preparados por sinterizado de polvos de óxido metálico) mostraban constantes dieléctricas hasta 100 veces mayores que los cristales comunes. Además, esta misma clase de materiales (llamados ferroeléctricos) fueron producidos de forma que mejoraron sus propiedades piezoeléctricas. El descubrimiento de la facilidad de fabricación de las cerámicas piezoeléctricas con características de rendimiento asombrosas, provocaron el resurgimiento de la investigación y el desarrollo de los dispositivos piezoeléctricos.

El desarrollo de los materiales y dispositivos piezoeléctricos se extendió por todo el mundo, pero fue claramente dominado por los grupos industriales de los EE.UU, que se aseguraron el liderazgo mediante el registro de patentes muy fuertes.

Cabe señalar que durante este resurgimiento, especialmente en los EE.UU., el desarrollo de materiales y dispositivos se llevó a cabo bajo una política de elevado secretismo.

En contraste con el “secreto político” practicado entre los fabricantes de Estados Unidos, varias compañías y universidades japonesas formaron en 1951 una asociación llamada Barium Titanate Application Research Committe. Esta asociación estableció un precedente de organización para superar con éxito no sólo desafíos técnicos y obstáculos de fabricación, sino también la definición de nuevas áreas de negocio para este tipo de materiales.

A partir de 1965, las empresas japonesas comenzaron a obtener los primeros beneficios del constante trabajo de desarrollo de nuevos materiales y aplicaciones iniciado en 1951.

Desde una perspectiva internacional, Japón pasó a liderar este campo, desarrollando nuevo conocimiento, nuevas aplicaciones, nuevos procesos y nuevas áreas de negocio.

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El éxito comercial de los esfuerzos japoneses atrajo la atención de la industria en muchas otras naciones y estimuló un nuevo esfuerzo para desarrollar con éxito productos piezocerámicos. Este hecho se demuestra con el gran aumento del número de patentes registradas en las últimas décadas, tal y como se muestra en el gráfico de evolución. Otra evidencia de la gran actividad que se desarrolla alrededor de los materiales y dispositivos piezoeléctricos es el gran número de artículos publicados en los últimos años. Países como China, Rusia o la India han experimentado un elevado crecimiento en cuanto a publicaciones en los últimos años.

A juzgar por el incremento de la actividad mundial, y por los éxitos hallados en el último cuarto del siglo XX y la primera década del siglo XXI, la búsqueda de nuevas oportunidades aún está en proceso.

A continuación se muestra la evolución producida durante las últimas dos décadas en la publicación de patentes. La estrategia de búsqueda utilizada para la realización de este apartado ha sido mediante la palabra clave "piezoelectric*".

Se han obtenido un total de 116.694 patentes publicadas desde el año 1980 hasta la fecha actual. El siguiente gráfico muestra dicha evolución:

Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge

Este gráfico muestra una tendencia positiva a lo largo de las últimas décadas tal y como ya se ha comentado anteriormente.

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A continuación se muestra el ranking de los países en que estas patentes tienen efecto:

POSICIÓN PAÍS NºPATENTES

1 JAPÓN 52824

2 ESTADOS UNIDOS 21373

3 SOLICITUD EUROPEA (EP) 11615

4 CHINA 7278

5 SOLICITUD PCT 6669

6 COREA DEL SUR 4610

7 ALEMANIA 2700

8 CANADÁ 1764

9 GRAN BRETAÑA 1671

10 FRANCIA 1129

11 UNIÓN SOVIÉTICA 896

12 RUSIA 877

13 ESPAÑA 706

14 TAIWAN 616

15 AUSTRALIA 498

A continuación se detallan los solicitantes más prolíficos en cuanto a registro de patentes, desde el año 2006 hasta la fecha actual:

POSICIÓN SOLICITANTE Nº PATENTES

1 SEIKO EPSON CORP 2438

2 MURATA MANUFACTURING CO 1002

3 EPSON TOYOCOM CORP 824

4 BROTHER IND LTD 674

5 KYOCERA CORP 637

6 MATSUSHITA ELECTRIC IND CO LTD

619

7 SAMSUNG ELECTRONICS 615

8 BOSH GMBH ROBERT 611

9 NGK INSULATORS LTD 539

10 CANON KK 494

11 FUJI PHOTO FILM CO LTD 487

12 TDK CORP 392

13 SIEMENS AG 370

14 FUJITSU LTD 355

15 DENSO CORP 351

16 KYOCERA KINSEKI CORP 320

17 NIHON DEMPA KOGYO CO 278

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18 PANASONIC CORP 254

19 FUJI XEROX CO LTD 221

20 NEC TOKIN CORP 212

21 SHARAPOV VALERII MYKHAILOVYCH

202

22 SONY CORP 183

23 TOSHIBA CORP 180

24 DELPHI TECH INC 159

25 EPCOS AG 122

Como se puede comprobar la mayoría de empresas que figuran en este listado son japonesas.

A continuación se ha realizado un listado de las últimas patentes publicadas relacionadas con el tema:

NºPUBLICACIÓN SOLICITANTE PAÍS ORÍGEN

CONTENIDO TÉCNICO

KR20100096225 NOKIA CORP FINLANDIA Dispositivo con un lente y un elemento piezoeléctrico configurado para doblarse en respuesta a la aplicación de un voltage.

KR20100097112 KONICA MINOLTA OPTO INC

JAPÓN Actuador piezoeléctrico, dispositivo de guia, dispositivo de posicionamiento y módulo láser.

KR100984159 KYUNGWON FERRITE IND CO LTD

COREA Método de fabricación de un sensor piezoeléctrico con froma de bola.

Proyectos en curso

High temperature sensors

El objetivo del proyecto es investigar el efecto del dopaje en cerámicas en fase Antivillius con propiedades ferroeléctricas, piezoeléctricas, dieléctricas, punto Curie, conductividad eléctrica, envejecimiento.

Fecha inicio / fecha final: 09-10-2009 / 08-10-2010

Entidad financiadora: Comisión Europea. FP7.

Coordinación: Queen Mary and Westfield College, University of London

http://www.qmul.ac.uk

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Materiales piezoeléctricos

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New micro-robotic systems featuring piezoelectric a daptive microstructures for sensing and actuating, with associated embedded con trol

El proyecto se enfoca en una de las aplicaciones más prometedoras de los sistemas adaptativos piezoeléctricos: sistemas microrobóticos y microensamblajes para componentes micrométricos.

Fecha inicio / fecha final: 03-07-2008 / 02-07-2010

Entidad financiadora / Programa: Comisión Europea. FP7.

Coordinación: Universite de Franche-Comte

http://www.univ-fcomte.fr

Noticias

Carreteras que generan energía Septiembre 2010

En Israel, ingenieros del centro tecnológico Innowattech han creado un nuevo tipo de material para carreteras, basado en unos cristales piezoeléctricos, para aprovechar la energía cinética del paso de los vehículos. El material puede extenderse por todo tipo de superficies de tránsito con un grosor muy fino. Sus responsables calculan que puede generar unos 400 kW por kilómetro.

http://www.ptcarretera.es/carreteras_que_generan_energia.html

Desarrollan una tecnología para cargar el móvil sol o con la energía del cuerpo humano Marzo 2009

Científicos del Instituto de Tecnología de Georgia, encabezados por el profesor Zhong Li Wang, han logrado captar la energía del entorno convirtiendo en electricidad vibraciones de baja frecuencia como los movimientos del cuerpo, del latido del corazón o del viento.

Para ello utilizan nanocables piezoeléctricos de óxido de zinc cuyo diámetro es una vigésimoquinta parte del de un cabello humano.

Según Wang, la ventaja de esta tecnología es que los nanocables pueden fijarse con facilidad a muchos tipos de superficies, por lo que los nanogeneradores funcionan igualmente en el aire o en un medio líquido si su envoltorio es el adecuado.

También pueden colocarse sobre metales, polímeros, la ropa e incluso en tiendas de campaña. Los nanogeneradores tendrán múltiples aplicaciones en los campos de la defensa, el medioambiente, la biomedicina y la electrónica en general, añadió Wang.

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Materiales piezoeléctricos

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De momento, el principal desafío es aumentar su voltaje. Según el profesor, una vez puedan aumentar su voltaje de 0,5 a 1 voltios habrá importantes aplicaciones en muchos campos.

El científico dijo que espera que de aquí a cinco años se pueda utilizar este sistema para hacer funcionar un reproductor mp3, un pequeño ordenador portátil o un teléfono móvil.

http://www.madrimasd.org/informacionIDI/noticias/noticia.asp?id=38767

Nuevas técnicas en cirugía odontológica Julio 2009

La atrofia ósea severa con la consiguiente neumatización progresiva del seno maxilar puede hacer difícil la inserción de implantes dentales en ciertos pacientes. En este grupo de pacientes anatómicamente comprometidos, la colocación de los implantes dentales en una posición ideal puede verse dificultada por una altura, una anchura y una calidad no adecuada del hueso maxilar.

La osteotomía Le Fort I con interposición de injerto óseo se ha demostrado como un concepto excelente para la rehabilitación dental de pacientes que precisan técnicas de cirugía preprotésica avanzada.

El grupo de investigación de Mario Muñoz Guerra, del Hospital Universitario La Princesa (UAM), ha ideado una técnica novedosa que incide en el aspecto trascendente de la preservación de la integridad del seno maxilar y de la mucosa del suelo de las fosas nasales, realizando una modificación de los procedimientos previamente descritos e incidiendo en la utilidad del dispositivo piezoeléctrico (aparato que gracias a oscilaciones ultrasónicas tridimensionales controladas permite un corte selectivo y muy preciso, cortando exclusivamente tejido óseo y evitando el tejido blando) y de los rascadores de hueso.

La técnica, publicada en Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, se realiza en un solo tiempo quirúrgico e incluye la colocación simultánea de los bloques de hueso y de los implantes de titanio. Las ventajas fundamentales de esta modificación incluyen: 1/ Proporciona una ganancia adecuada de la cantidad de hueso maxilar. 2/ Permite la colocación de implantes dentales en la posición más apropiada. 3/ Mejora la discrepancia entre maxilar y mandíbula típica del paciente con atrofia ósea. 4/ Minimiza la incidencia de complicaciones infecciosas secundarias a la movilización de estructuras en el seno maxilar y en las fosas nasales.

http://www.uam.es/ss/Satellite/es/1234886344485/1242648450432/notcientifica/notCientific/1242648450432.htm

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Eventos

Existe una conferencia que presenta las últimas novedades en el campo de los materiales piezoeléctricos.

EVENTO LOCALIZACIÓN FECHA

PIEZO 2011: Electroceramics for End Users VI

Sestriere, Piedmont, Italia 28-02-2011 / 02-03-2011

Entidades que colaboran en la elaboración del Boletín:

Fundación OPTI

ASCAMM