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¿Cómo hacer materiales piezoeléctricos?


Una cerámica piezoeléctrica tradicional es una masa de cristales de cerámica de perovskita, cada uno de los cuales consta de un ión metálico tetravalente pequeño, generalmente titanio o circonio, en una red de iones metálicos divalentes más grandes, generalmente plomo o bario, e iones O2-. En condiciones que confieren simetría tetragonal o romboédrica a los cristales, cada cristal tiene un momento dipolar.

Para preparar una cerámica piezoeléctrica, se mezclan polvos finos de PZT de los óxidos metálicos componentes en proporciones específicas y luego se calientan para formar un polvo uniforme. El piezopolvo se mezcla con un aglutinante orgánico y se forma en elementos estructurales que tienen la forma deseada (discos, varillas, placas, etc.). Los elementos se cuecen de acuerdo con un programa específico de tiempo y temperatura, durante el cual las partículas de polvo piezoeléctrico se sinterizan y el material adquiere una estructura cristalina densa. Los elementos se enfrían, luego se les da forma o se recortan según las especificaciones, y se aplican electrodos a las superficies apropiadas.

Por encima de una temperatura crítica, el punto de Curie, cada cristal de perovskita en el elemento cerámico cocido exhibe una simetría cúbica simple sin momento dipolar. Sin embargo, a temperaturas por debajo del punto de Curie, cada cristal tiene simetría tetragonal o romboédrica y un momento dipolar. Los dipolos adyacentes forman regiones de alineación local llamadas dominios. La alineación da un momento dipolar neto al dominio y, por lo tanto, una polarización neta. Sin embargo, la dirección de polarización entre dominios vecinos es aleatoria, por lo que el elemento cerámico no tiene polarización general.

Los dominios en un elemento piezocerámico se alinean exponiendo el elemento a un fuerte campo eléctrico de corriente continua, generalmente a una temperatura ligeramente por debajo del punto de Curie. A través de este tratamiento de polarización (poling), los dominios más alineados con el campo eléctrico se expanden a expensas de los dominios que no están alineados con el campo, y el elemento se alarga en la dirección del campo. Cuando se elimina el campo eléctrico, la mayoría de los dipolos se bloquean en una configuración de alineación cercana. El elemento ahora tiene una polarización permanente, la polarización remanente, y está permanentemente alargado.



Pulir una cerámica piezoeléctrica

Efectos del campo eléctrico

De manera análoga a las características correspondientes de los materiales ferromagnéticos, un material ferroeléctrico polarizado presenta histéresis. La Figura 1.3 muestra una curva de histéresis típica creada al aplicar un campo eléctrico a un elemento cerámico piezoeléctrico hasta que se alcanza la polarización máxima, Ps, reduciendo el campo a cero para determinar la polarización remanente, Pr, invirtiendo el campo para lograr una polarización máxima negativa y polarización remanente negativa y reversión del campo para restaurar la polarización remanente positiva. El trazado debajo de la curva de histéresis traza el cambio relativo en la dimensión del elemento cerámico a lo largo de la dirección de polarización, correspondiente al cambio en el campo eléctrico. El aumento / disminución relativo de la dimensión paralela a la dirección del campo eléctrico va acompañado de una disminución / aumento relativo correspondiente, pero aproximadamente un 50% menor, de la dimensión perpendicular al campo eléctrico. Figura 1.3. Efectos del campo eléctrico (E) sobre la polarización (P) y el alargamiento / contracción correspondiente de un elemento cerámico

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Sun Zhaohai

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