Las cerámicas piezoeléctricas son el elemento activo en la mayoría de los dispositivos y transductores ultrasónicos― más importantes, siendo los otros los cristales de cuarzo, los cristales hidrosolubles, los monocristales, los semiconductores piezoeléctricos, los polímeros y los compuestos piezoeléctricos.Gallego, J.: «Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers», artículo en Journal of Physics. E: Sci. Instrum., 22, págs. 804-816, 1989.
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.Suslick, K. S.: «The chemical effects of ultrasound», Scientific American, febrero de 1989.
Historia A mitad del , Linneo y Aepinus comprobaron la existencia de un potencial eléctrico como respuesta a cambios de temperatura en determinados materiales. A finales del , Coulomb ya teorizaba que la electricidad podía ser producida aplicando presión. El fenómeno piezoeléctrico fue descubierto por René-Just Haüy, un minerólogo francés, hacia 1870, aunque sus experimentos no fueron concluyentes. Unos años después, en 1880, los hermanos Jacques y Pierre Curie, observaron experimentalmente que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían cargas eléctricas en este (el prefijo «piezo» deriva del griego piezein, que significa ‘presionar’). Más tarde comprobaron que los mismos materiales que muestran el efecto piezoeléctrico también muestran el efecto contrario, en el que cambian su forma bajo la influencia de un campo eléctrico dando lugar a lo que se denomina el efecto piezoeléctrico inverso.
Tras la Primera Guerra Mundial, debido a la dificultad para excitar transductores construidos con cuarzo, debido a su demanda para sistemas de alta tensión, comenzaron las investigaciones con materiales sintéticos piezoeléctrico. En los años cuarenta y cincuenta, estos esfuerzos llevaron a la fabricación de las primeras cerámicas piezoeléctricas, de titanato de bario (por la antigua Unión Soviética y Japón), y de titanato zirconato de plomo (Cerámica piezoeléctrica) por Estados Unidos.Cady, W. G.: Piezoelectricity: an introduction to the theory and applications of electromechanical phenomena in crystals. Dover Press, 1964.
Por su capacidad de poder convertir la deformación mecánica en energía eléctrica y la energía eléctrica en deformación mecánica, los cristales piezoeléctricos encuentran una gran variedad de aplicaciones en transductores de presión, agujas para reproductores de discos de vinilo, micrófonos, cristales resonadores para los relojes, sensores de presión, aceleración, tensión o fuerza, en osciladores electrónicos de alta frecuencia, etc.«History of piezoelectricity» , artículo en inglés en el sitio web de la empresa Piezo Systems, Inc.
El desarrollo de las cerámicas piezoeléctricas fue revolucionario. Además de presentar mejores propiedades que los cristales una vez 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 Cerámica piezoeléctrica con sus diversas variaciones. Otras como las compuestas por PT (PbTiO3) y el PMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3) son utilizadas en dispositivos que con características especiales, como los transductores para alta temperatura.
Funcionamiento
El efecto piezoeléctrico es un fenómeno físico que presentan algunos cristales debido al cual, aparece una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre ciertas caras del cristal cuando éste se somete a una deformación mecánica y se denomina efecto piezoeléctrico directo (si ocurre al contrario, se trata del efecto piezoeléctrico inverso).«Piezoelectric ceramic for sonar transducers (hydrophones & projectors)». Military Standard US DOD MIL STD 1376 A (SH), 1984.
Cuando se aplica una tensión mecánica sobre el cristal, los átomos ionizados (cargados) presentes en la estructura de cada celda de formación del cristal se desplazan, provocando la aparición de cargas en las superficies del material. Debido a la regularidad de la estructura cristalina, y como los efectos de deformación de la celda suceden en todas las celdas del cuerpo del cristal, estas cargas se suman y se produce una acumulación de la carga eléctrica, produciendo una diferencia de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal que puede ser muchos voltios.
El efecto se produce únicamente en cristales que no tienen un centro de simetría en la celda unidad (centro simétrico), es decir, el centro de cargas negativas no puede coincidir con el de centro de cargas positivas a nivel de la celda unitaria. Esta asimetría en las cargas es la que da lugar a la formación de dipolos y a esa disposición se la denomina estructura de perovskita.
El hecho de que existan dipolos en el cristal, hace posible que al aplicar un campo eléctrico sobre el material, la estructura cristalina se deforme, expandiéndose o contrayéndose dependiendo de la dirección de la corriente y que al aplicar una fuerza sobre el cristal, sufriendo este una deformación mecánica, se genere un desplazamiento eléctrico de los dipolos, creándose una diferencia de potencial entre sus extremos. Esta diferencia de potencial entre los extremos es la denominada piezoelectricidad y los materiales que presentan esa propiedad son los materiales piezoeléctricos.
Dentro de este tipo de materiales, se pueden distinguir el grupo de los que poseen el carácter piezoeléctrico de forma natural (como el cuarzo, la turmalina o las sales de Rochelle), que suelen presentar un carácter más débil y el grupo que presenta propiedades piezoeléctricas después de ser sometidos a un proceso de polarización, las cerámicas piezoeléctricas (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales mono cristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de micro cristales orientados), llamados ferro eléctricos.«The piezoelectric effect: fundamentals of piezoelectricity and piezoelectric actuators» , artículo en el sitio web Physik Instrumente.
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 Cerámica piezoeléctrica, 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 respectivamente.Pereira, Aha; y Venet M.: «Materiais e dispositivos piezoelétricos» , artículo en portugués en el siti oweb ATCP, de São Carlos (Brasil), 2004.Estructura perovskita (a) centrossimétrica y (b) no centrossimétrica.Subdivisiones de los materiales piezoeléctricos “Hard” y “Soft” de acuerdo con la norma estadounidense DOD-STD-1376A (SH).Histéresis piezoeléctrica.Intervalo de propiedades y clasificaciones de acuerdo con la norma estadounidense DOD-STD-1376A (SH).
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 manifestaciones macroscópicas se precisa 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.Jaffe, B.: Piezoelectric ceramics. Academic Press, 1971.
Polarización
En los materiales piezoeléctricos, los dipolos con orientación paralela están agrupados en los denominados dominios de Weiss. En las cerámicas piezoeléctricas estos dominios de Weiss están orientados aleatoriamente. Las respuestas de los dipolos a un campo eléctrico aplicado desde el exterior tenderán a cancelarse unas a otras, no produciéndose cambios significativos en las dimensiones de la cerámica y no observándose ningún comportamiento piezoeléctrico macroscópico.
Para obtener una respuesta piezoeléctrica a nivel macroscópico, los dipolos deben estar alineados unos con otros permanentemente, para lo que se recurre al proceso de polarización. Una característica de los materiales piezoeléctricos es que poseen una temperatura de Curie, por encima de la cual los dipolos de los cristales pueden cambiar su orientación dentro de la fase sólida del material. En el proceso de polarización, el material es calentado por encima de esta temperatura de Curie y se le aplica un potente campo eléctrico en cuya dirección (dirección de polarización) se alinearán los dipolos.
Conservando el campo eléctrico constante, el material se enfría por debajo de su temperatura de Curie, haciendo que los dipolos se queden permanentemente alineados ya habiendo suprimido el campo eléctrico pudiendo decir que el material está polarizado. Los dipolos no quedarán completamente alineados ni paralelos unos con otros, pero esa alineación será suficiente para que presenten las propiedades piezoeléctricas. Ya con el material piezoeléctrico polarizado, los dominios de Weiss aumentan su alineamiento proporcionalmente al voltaje que le sea aplicado, con el resultado de un cambio en las dimensiones del material.
Un detalle importante en los materiales piezoeléctricos es que si una vez polarizados se sobrepasa en ellos la temperatura de Curie, perderán o verán reducidas sus propiedades piezoeléctricas.Fernando J. Elizondo Garza: Miguel Cupich et al: «Actuadores» , artículo en el sitio web mexicano Ingenierías.
Clasificación
Los materiales que presentan propiedades piezoeléctricas se dividen en dos grupos: los que presentan esas propiedades de forma natural y los que necesitan ser polarizados (que son los cerámicos piezoeléctricos). Los primeros tienen un efecto piezoeléctrico muy pequeño, por ese motivo se desarrollaron los segundos, con un efecto mucho mayor, de los cuales los más usados en industria son el titaniato de bario (BaOTiO2), y una combinación de zirconato de plomo (PbZrO3) y titanato de plomo (PbTiO3). A esta combinación, se le llama en la industria Cerámica piezoeléctrica (zirconato titanato de plomo) y son fabricados por compresión de polvo a alta temperatura, moldeados y cocidos en un horno.
Para hacernos una idea de la diferencia de efecto piezoeléctrico de uno y otros, podemos observar sus constantes piezoeléctricas. El titaniato de bario fue descubierto en la década de 1940 y su uso fue principalmente enfocado a la fabricación de sensores de ultrasonidos, normalmente para sónares. Actualmente, aunque se sigue utilizando en la industria como componente principal de dispositivos de memoria, ha sido ampliamente reemplazados por el Cerámica piezoeléctrica (y sus derivados), que presentan una temperatura crítica (de Curie) mucho más alta.
Proceso de fabricación
La fabricación de cerámicas piezoeléctricas es muy similar sea cual sea la cerámica que se quiere obtener. El proceso consta de los siguientes pasos: