Cerámica piezoeléctrica

Introducción

El elemento activo en la mayoría de los dispositivos y transductores ultrasónicos es un elemento piezoeléctrico, que puede pertenecer a uno de estos grupos: cristales de cuarzo, hidrosolubles, monocristales, semiconductores piezoeléctricos, cerámicas piezoeléctricas, polímeros y compuestos piezoeléctricos [1]. Las cerámicas piezoeléctricas pertenecen al grupo que da mayor flexibilidad de formato y de propiedades, siendo ellas ampliamente utilizadas en la fabricación de equipos industriales, específicamente en sistemas de limpieza, equipos de soldadura por ultrasonido, para ensayos no destructivos y equipos para monitorear vibraciones.

Historia

El efecto piezoeléctrico o piezoelectricidad fue descubierto en 1880 por los hermanos Curie y P. Langevin lo puso en práctica por vez primera en sonares durante la I Guerra Mundial. Langevin, en ese entonces, utilizó cuarzo asociado a masas metálicas para generar ultrasonidos en el rango de algún KHertzs. Tras la Primera Guerra Mundial debido a la dificultad para excitar transductores construidos con cuarzo, debido a su demanda de alta tensión, comenzaron las investigaciones con materiales sintéticos piezoeléctrico. En las décadas del 40 y 50, estos esfuerzos llevaron a la fabricación de las primeras cerámicas piezoeléctricas, de Titanato de Bário por la antigua URSS y Japón, y de Titanato Zirconato de Plomo (PZT’s) por los EUA [2,3].

El desarrollo de las cerámicas piezoeléctricas fue revolucionario. Ellas, además de presentar mejores propiedades que los cristales después de polarizadas, también presentaban geometrías y dimensiones más flexibles, ya que son fabricadas a través de la sinterización de polvos cerámicos, conformados mediante prensado o extrusión. Actualmente los materiales piezoeléctricos predominantes en el mercado son las cerámicas piezoeléctricas tipo PZT con sus diversas variaciones. Otras como las compuestas por PT (PbTiO₃) y el PMN (Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃) son utilizadas en dispositivos que con catacterísticas especiales, como los transductores para alta temperatura.

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 propiedades de los materiales piezoeléctricos dede el punto de vista de aplicación son [3,4,6]:

Constante de carga piezoeléctrica d

Unidad: m/V (metros/Volt) o C/N (Coulombs/Newton) Significado: Informa cuál es la proporción entre la variación dimensional (Δl) del material piezoeléctrico (en metros) y la diferencia de potencial aplicada (en Volts), y entre la generación de cargas eléctricas (en Coulombs)y la fuerza aplicada en el material (en Newtons). Valores típicos: De 0,2 a 8 Angstrons por Volt aplicado, y de 20 a 800 pico Coulomb por Newton aplicado, para cerámicas piezoeléctricas de PZT. Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el diseño de posicionamiento piezoeléctrico e sensores de fuerza/deformación.

Constante de tensión piezoeléctrica g

Unidad: Vm/N (Volts x metros/Newton). Significado: Informa cuál es la proporción entre la diferencia de potencial generada (en Volts) la fuerzaa aplicada (en Newton) para una cerámica con longitud de 1 metro. Valores típicos: De -1 a 60 Volts para cada Newton aplicado (considerando el tamaño del eje en cuestión de 1 metro), para cerámicas piezoeléctricas de PZT. Diminuyendo la dimensión de la cerámica o aumentando la fuerza, el módulo de la tensión generada tambiém aumenta. Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el diseño de detonadores de impacto y “magic clicks”.

Coeficiente de acoplamiento

Unidad: Adimensional. Significado: Eficiencia del material en la transducción/conversión de energía eléctrica en mecánica y viceversa. Valores típicos: De 0.02 (equivalente a 2% de eficiência) a 0.75 (equivalente a 75% de eficiencia), para cerámicas piezoeléctricas de PZT. Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el control de calidad de las cerámicas piezoeléctricas y en el diseño de dispositivos en que no se desea la conversión de energía cruzada, o sea, que una vibración o deformación en un eje no genere cargas eléctricas o diferencia potencial en otro eje. En este caso, cuanto menor sea el respectivo factor de acoplamiento mejor.

Factor de calidad mecánico Q

Unidade: Adimensional. Significado: Es una medida del amortiguamiento del material. Valores típicos: De 50 a 1500, para cerámicas piezoeléctricas de PZT. Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el diseño de dispositivos dinámicos de alta potencia.

Factor de disipación dieléctrica Tan δ

Unidad: Adimensional. Significado: Es una medida dieléctricas del material. Valores típicos: De 2 x 10^-3 a 25 x 10^-3 para cerámicas piezoeléctricas de PZT (sobre bajo campo). Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el diseño de dispositivos dinámicos de alta potencia y/o sometidos a altos campos eléctricos.

Temperatura de Curie TC
Unidad: Graus Celsius. Significado: Es la temperatura donde la estructura cristalina del material sufre una transición de fase dejando de presentar propiedades piezoeléctricas. Después de superar esta temperatura, el material pierde la polarización remanente inducida, tornándose inservible para su utilización como elemento transductor de energía eléctrica en mecánica. Valores típicos: De 150 a 350^∧C, para cerámicas piezoeléctricas de PZT. Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el diseño de dispositivos que deberán funcionar en altas temperaturas y de alta potencia.

Constantes de frecuencia N
Unidad: Hz m (Hertz x metro). Significado: Es un factor importante ya que permite la estimación de la frecuencia de resonancia de los dispositivos piezoeléctricos. Valores típicos: De 800 a 3000 Hzm, para cerámicas piezoeléctricas de PZT. Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el diseño de dispositivos que funcionan en resonancia

Impedancia acústica Z
Unidad: MRayls (kg/m²s). Significado: Es la manera con que la energía mecánica se propaga por el medio, es una propiedad análoga a la del índice de refracción. La diferencia entre las impedancias acústicas de dos medios adyacentes es determinante de la fracción de la energía reflejada y transmitida de una onda que incide en la interfaz. Valores típicos: De 25 a 40 MRayls, para cerámicas piezoeléctricas de PZT (Z de agua = 2 MRayls y del aire aproximadamente 1 x 10^–3MRayls). Es calculado por el producto de la densidad por la velocidad (la velocidad es aproximadamente igual a dos veces la respectiva constante de frecuencia, en el caso de las cerámicas). Cuándo/Dónde es una información indispensable: En el diseño de dispositivos, este factor emitirá o captará ultrasonidos/vibraciones mecánicas.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de las cerámicas piezoeléctricas son:

• Equipos médicos de imagen por ecografía
• Medidores de nivel y distancia por pulso-eco (los sensores de estacionamiento automotivos son ultrasónicos).
• Equipos de limpieza por ultrasonidos
• Sensores de vibraciones y acelerómetro
• Máquinas de soldadura por ultrasonidos
• Transductores por ultrasonidos para ensayos no destructivos (END)
• Actuadores y motores piezoeléctricos

Formas y dimensiones

Las formas y dimensiones más comunes de las cerámicas piezoeléctricas comerciales son [1]:

• Cerámicas piezoeléctricas de alta potencia para soldadura por ultrasonido en PZT-8 en el formato de anillos:
  • 50 x 20 x 5,15 mm
  • 50,8 x 19,1 x 3 mm
  • 38,1 x 19,1 x 5,15 mm
  • 30 x 10 x 6 mm
  • 25 x 12 x 3,15 mm
  • 25 x 10 x 4,15 mm
• Cerámicas piezoeléctricas de potencia para limpieza por ultrasonidos en PZT-4 en el formato de anillos:
  • 50 x 20 x 5,15 mm
  • 38 x 13 x 6,35 mm
  • 25 x 12 x 3,15 mm
• Cerámicas piezoeléctricas para sensores en PZT-5A:
  • Anillos de 38 x 13 x 6,35 mm
  • Anillo de 25 x 12 x 3,15 mm
  • Disco de 15 x 0,9 mm

Las cerámicas piezoeléctricas también son conocidas popularmente como cristales piezoeléctricos, cristales piezo, cristal piezoeléctrico y cristal piezo.

Bibliografía

[1] GALLEGO, J.; Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers, J. Phys. E: Sci. Instrum., 22 804-816 1989.

[2] SUSLICK, K.S.; The Chemical Effects of Ultrasound, Scientific American February 1989.

[3] CADY, W. G.; Piezoelectricity: An Introduction to the Theory and Applications of Electromechanical Phenomena in Crystals, Dover Press, 1964.

[4] JAFFE, B.; Piezoelectric Ceramics, Academic Press, 1971.

[5] Piezoelectric Ceramic for Sonar Transducers (Hydrophones & Projectors) Military Standard US DOD MIL STD 1376 A (SH) (1984).

[6] PEREIRA AHA e VENET M; Materiais e dispositivos piezoelétricos: www.atcp.com.br, ATCP do Brasil, São Carlos-SP Brasil, 2004. Estructura Perovskita (a) centrossimétrica y (b) no centrossimétrica. Subdivisiones de los materiales piezoeléctricos “Hard” y “Soft” de acuerdo con la norma americana DOD-STD-1376A (SH). Histéresis piezoeléctrica. Intervalo de propriedades y clasificaciones de acuerdo con la norma americana DOD-STD-1376A (SH).