PROPIEDADES PIEZOELÉCTRICAS DE CERÁMICAS FERROELÉCTRICAS DE Pb (Zr ,Ti )O3 DOPADAS CON Sr Y Fe

F. A. Londoño, D. J. Lópezb, M. H. Lentec, J. A. Eirasa y D. García

A continuación se dará una breve introducción acerca de la actividad piezoeléctrica para entender mejor el artículo del título mencionado.

La piezoelectricidad fue descubierta por Jaques y Pierre Curie en 1880, fenómeno dado a ciertos materiales que generan electricidad sujetos a un esfuerzo mecánico, que también muestran el mismo efecto a la inversa bajo la influencia de un campo eléctrico. Son materiales piezoeléctricos comunes como el cuarzo, turmalina, sal de Rochelle. La innovación de los materiales cerámicos piezoeléctricos es químicamente inmune a la humedad y otras condiciones atmosféricas. Se puede dárseles cualquier forma o tamaño con la dirección de polarización para cumplir las necesidades de diseño del transductor. El transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada en otro diferente en la salida. Sus aplicaciones se dividen en varios grupos:

Generadores de alta tensión Transductores de ultrasonido de alta intensidad Transductores ultrasónicos de baja intensidad Sistemas de flexión Defectores de esfuerzo Medidores ultrasónicos de flujo.

La actividad piezoeléctrica se forma cuando los dipolos son orientados a un fuerte campo eléctrico a alta temperatura; una vez se disminuye la temperatura, los dipolos forman una dirección correspondiente a la dirección del campo de polarización, la estructura cerámica sólo admite rotaciones a los dipolos.

Características Tecnológicas:

Tipos de materiales piezoeléctricos: Los materiales piezoeléctricos reciben el nombre de pieóxidos y se abrevia PXE. Existen varios tipos de materiales encontrando a:

PXE 3: Es una placa cerámica de titanio – Circonato de plomo con un coeficiente de corte muy alto, baja constante dieléctrica y alta temperatura Curié. Presenta una pequeña despolarización por efecto del soldado.

PXE 4: Es una placa cerámica de titanio – Circonato de plomo mejorada con excelentes propiedades en la resonancia de alta intensidad y generadores de alta tensión. Se puede llevar a varias amplitudes de deformación.

PXE 5: Es una placa cerámica de titanio – Circonato de plomo mejorada con un factor Q mecánica bajo, un coeficiente de acoplamiento muy alto y buena sensibilidad de carga. Tiene mejor estabilidad térmica que las anteriores.

PXE 7: Es igual a la PXE 3 pero con mejores condiciones de estabilidad

PXE 10: Tiene una constante dieléctrica considerablemente alta, factor Q mecánico bajo útil para aplicaciones mecano-eléctricas no resonantes que requieran un alto rendimiento de conversión de energía.

PXE 11: Es un novato de sodio y potasio. Tiene constante de frecuencia extremadamente alta lo que la hace ser la preferida en transductores de alta frecuencia.

Cuando se aplican fuerzas externas al material cerámico ya sea de compresión o de tracción, la deformación ocasiona un desplazamiento de las cargas y puede medirse una tensión en los electrodos. Si el esfuerzo mecánico es talque el cuerpo cerámico retoma su tamaño originan antes de ser polarizado la tensión medida tendrá la misma polaridad que la tensión utilizada para polarizarlo. Cuando el esfuerzo mecánico es inverso la tensión que se le aplica a los electrodos también tendrán una polaridad inversa.

Si la tensión continúa con polaridad opuesta a la tensión de polarización aplicada a los electrodos (material cerámico) hace que él se acorte; si la tensión de polaridad es igual al de la polarización el material sufrirá una elongación. Cuando se aplica un campo alternativo, el material se acortara y alongará de manera alternada.

Despolarización: Los materiales piezoeléctricos están polarizados de forma permanente. Al trabajar con estos materiales se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:

La temperatura del material debe mantenerse muy por debajo del punto de Curie ( temperatura a la cual un cuerpo ferromagnético pierde su magnetismo convirtiéndose en un material paramagnético)

El material no debe ser expuesto a campos alternativos muy fuertes. La tensión mecánica aplicada al material no debe exceder los límites específicos

Si alguno de estas consideraciones no se cumple puede perder la semipermanente estructura orientada de los dipolos eléctricos. La despolarización también puede ocurrir por despolarización térmica causada por el excesivo aumento de la temperatura sobrepasando los niveles del punto de Curie. Como también la piezoelectricidad puede ser afectada por la despolarización eléctrica (campos alternativos fuertes) y deformación mecánica (la tensión aplicada al material es demasiado grande)

Una vez se ha mencionado la actividad piezoeléctrica en cuanto en concepto y usos entramos en materia a explicar el artículo: PROPIEDADES PIEZOELÉCTRICAS DE CERÁMICAS FERROELÉCTRICAS DE Pb (Zr ,Ti )O3 DOPADAS CON Sr Y Fe.

Los materiales basados en Titanio Circonato de PlomoPb (Zr ,Ti )O3 (PZT), presenta respuesta electromecánica y piezoeléctrica adecuado para sensores y actuadores. El aumento de las propiedades piezoeléctricas se debe a un aumento a la facilidad de reorientación de los dominios durante la polarización causado por la proximidad de estructuras ferroeléctricas tetragonal y romboédrica.

Las cerámicas PZT se pueden clasificar según el tipo de dopantes usados, dentro de dos grupos:

Hard (duras): Las PZT duras soportan altos niveles de excitación eléctricas usadas en los transductores de alta potencia

Soft (blanda): Los PZT blandas, tienen la permisividad propicias para actualizadores y sensores

Donantes o dopadores de las cerámicas blandas se encuentran los elementos cuyas valencias son respectivamente: la3+¿ ,Pb2+¿¿ ¿ (causan un aumento de la polarización de saturación y disminución

de la conductividad eléctrica), y en cuanto a las cerámicas duras: Fe3+¿ , Na1+¿¿ ¿ (causan una disminución de la polarización de saturación y aumento de la conductividad eléctrica).

Las cerámicas PZT son preparadas por el método de reacción de estado sólido, con polvos de alta pureza PbO 99,9% , TiO295% , Zr O299,9% , F e2O399,9% y SiO 99,9% .El polvo resultante se calcina en el aire a 850°C.

Para la conformación de las muestras se mezcló con polvovinil butiral (PVB), dándole forma de disco sometidas a prensado uniaxial; haciéndoles un tratamiento térmico y posteriormente un sinterizado en una base de alúmina y polvo cerámico. Previamente se deja en una atmósfera rica en plomo para que este se conserve en la muestra; la densidad de las muestras se utiliza el principio de Arquímedes, evaluando los valores de las densidades obtenidas durante el proceso.

Se hace una caracterización eléctrica en la superficies de los discos para reconoces niveles de rugosidad. El resultado final arroja que el Fe3+¿¿ le da a la cerámica mayor densidad y el Sr2+¿¿

favorece la presencia de porosidad. Se observa también que las concentraciones de Sr2+¿¿ provocan una quiebra eléctrica, disminuyendo la resistencia eléctrica, mejorando la constante dieléctrica de las cerámicas esto se debe a que un escaneo microscópico de los átomos muestra que los átomos no crecen de manera uniforme sino de manera variada.

En la gráfica presentada, se muestra la relación entre la densidad relativa y la temperatura de las cerámicas PZT. Como se informa en la gráfica, la densidad aumenta pasando por un máximo de 1200°C.

Pasando esta temperatura de los 1200°C, las densidades comienzan a disminuir por causa de la volatización del PbO. Sin embargo, a altas temperaturas la descomposición del material es la causa de las pérdidas de peso, ocasionando la descomposición del PZT, generando heterogeneidades en la microestructura y por tanto la disminución de la densidad del material y sus propiedades dieléctricas y piezoeléctricas.

En la parte estructural, por estudios de difracción de los rayos X, revelan que dopar con Sr2+¿¿

resulta la intensificación de la tetragonalidad mejorando las propiedades dieléctricas de las cerámicas, pero existe una quiebra dieléctrica cuando, las cerámicas dopadas con mayor cantidad de Sr2+¿¿ son polarizadas a 120°C y 45 kV/Cm. Esto indica que la mayor cantidad de Sr2+¿¿ disminuye la resistencia eléctrica de las cerámicas, llevándolas a la quiebra dieléctrica. En cambio, las cerámicas dopadas con mayor cantidad de Fe3+¿¿, proporcionan mayor resistencia mecánica, evitando así la quiebra dieléctrica cuando son sometidas a altos campos y altas temperaturas de polarización.

En conclusión se determina que las cerámicas 50PZT5Sr y 48PZT5Sr, dopadas con mayor cantidad de Fe3+¿¿, tienen mejor condición de polarización 45 kV/cm a 120 ºC por 30 min en cambio las

cerámicas 50PZT1Sr y 48PZT1Sr, dopadas con mayor cantidad de Sr2+¿¿, tienen mejor condición de polarización 38 kV/cm a 120 ºC por 30 min.

En las cerámicas del sistema PZT la adición de mayores cantidades deFe3+¿¿ propició una menor movilidad de dominios originando un efecto “endurecedor” que fue observado por valores levemente menores de constante dieléctrica y mayores valores de factores de calidad mecánicos, siendo que el proceso de reorientación de dominios fue altamente dependiente de la presencia de impurezas.

A continuación se muestra la tabla con los parámetros utilizados en las constantes para las cerámicas piezoeléctricas.

Constante Definición Unidades (Sistema M.K.S)

dDesplazamientodieléctrico desarrollado

EsfuerzoMecánico AplicadoCoulomb /metro2

Newton/metro2óCN

TensióndesarrolladaCampoaplicado

me tro /metroNewton /voltio

ómV

gCampo desarrollado

EsfuerzoMecánico AplicadoVoltio /metro

Newton /metro2óV∗mN

Tensión desarrolladaDesplazamientodieléctrico aplicado

Metro /metroCoulomb /metro2

óm2

C

Fig.1 Definición de las constantes d y g

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