Materiales piezoeléctricos








DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES CERÁMICOS PIEZOELÉCTRICOS Y SUS APLICACIONES INDUSTRIALES.



04.01 Definiciones: Materiales cerámicos y piezoelectricidad.

04.01.01 ¿Qué son los materiales cerámicos?
La definición resumida según los autores consultados, concluyen que los materiales cerámicos, también denominadas cerámicas, son materiales inorgánicos, procesados a altatemperatura, cuya composición cuenta con elementos tanto metálicos como no metálicos, unidos entre sí por enlaces iónicos y covalentes. Sus características principales se centran en que son materiales de elevada dureza, frágiles no dúctiles, con un alto punto de fusión, bajas conductividades eléctricas y térmicas, buena estabilidad química y alta resistencia a la compresión [Barroso].
Una primeraclasificación de las cerámicas la llevamos directamente a su grado de evolución y distinguimos las cerámicas como: primitivas, tradicionales y avanzadas.
El gráfico muestra la evolución de las cerámicas y el crecimiento en su utilización por la tecnología (banda azul) hasta la década de los años 90 [OCW UC3M].

La siguiente tabla nos ofrece una clasificación de los materiales cerámicos deacuerdo con su aplicación en el campo de la electrónica [EE Textos Científicos]
Función
Material
Productos
Aislantes
Porcelana, vidrio, Esteatita
Aislamiento de alto voltaje
Embalaje
Al2O3, BeO, AlN
Substratos de circuitos integrados, paquetes (MMC: Monolithic Multi-Components Ceramic)
Capacitores (almacenamiento de energía)
BaTiO3, SrTiO3, TiO2
Capacitares multicapa y de barreraPiezoeléctricos
Pb(Zt1-xTix)O3, SiO2 (cuarzo)
Vibradores, osciladores, filtros, motores y accionadores
Magnéticos
(BaLa)TiO3, V2O3, Fe2-xTixO3, ZnO-Bi2O3
Inductores, transformadores, dispositivos de memoria
Semiconductores
MgCr2O4-TiO2, CdS, SiC
PTC, Termostatos NTC, varistores, sensores de pH, sensores de humedad, celdas solares, calentadores eléctricos.
Conductores
RuO2, NaAl11O17.Zr1-2xY2xO2-x, YBa2Cu3O7-δ
Resistencias (film delgado), electrolitos sólidos, sensores de oxígeno, superconductores.



04.01.02 ¿En qué consiste la piezoelectricidad?
La piezoelectricidad (del griego piezein “estrujar o apretar) es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas, adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferenciade potencial y cargas eléctricas en su superficie. El efecto también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico.
Normalmente, el efecto piezoeléctrico es reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico.
A nivel microscópico, el efecto de una compresión o de un cizallamiento en uncristal piezoeléctrico, consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de éste modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.

UN POCO DE HISTORIA:
La propiedad de la piezoelectricidad fue observada, por primera vez, por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando lacompresión del cuarzo, que, al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de la materia se separan y esto da lugar a una polarización de la carga, polarización que es la causante de que salten las chispas.
Se utiliza el fenómeno en una aplicación práctica por primera vez por Paul Langevin cuando fabricó sonares, durante la primera guerra mundial, utilizando cristales de cuarzoacoplados a masas metálicas (es un transductor primitivo tipo Langevin), que generaban ultrasonido en las franjas inferiores a los 10² kHz.
La ingente cantidad de tensión que necesitaban los cristales de cuarzo para poder ser excitados a frecuencias superiores, llevaron en el período 1940-1960 a la búsqueda de materiales piezoeléctricos sintéticos que no necesitaran tantísima electricidad para su...