Materiales Piezoelectricos

Application note RT-ATCP-01

Cerámicas piezoeléctricas: funcionamiento y propiedades
ATCP Engenharia Física http://www.atcp.com.br/ ha@atcp.com.br São Carlos - Brasil

Autor: Antônio Henrique Alves Pereira (Pereira A.H.A.) [Revisado y publicado online en 1° marzo de 2010]

Cerámicas Piezoeléctricas: funcionamiento y propiedades

RT-ATCP-01

INTRODUCCIÓN En cualquier escala defrecuencia 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 tornafundamental 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 nodestructivos 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 cerámicaspiezoeléctricas, 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 Engenharia 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 primeraguerra 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 piezoeléctricossintéticos. 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 mejorespropiedades 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 porejemplo 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, siendoinclusive 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.

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