Materiales piezoeléctricos
Propiedades piezoeléctricas
El material conocido como PZT, siglas correspondientes a la combinación plomo – zinconato – titanato, es al que se le reconoce propiedades piezoeléctricas (cambio de dimensiones ante un voltaje eléctrico, y al revés).
Proceso de polarización
El tratamiento para conseguir estas propiedades en un material PZT es como sigue. En principio, tiene que ver con la alineación de los polos de los cristales componentes. El procedimiento es necesario porque al ser inicialmente manufacturado, el material piezoeléctrico tiene los polos de sus cristales arreglados en forma aleatoria. En estas condiciones, tienden a anularse unos con otros, y mayormente no responden a las características mencionadas previamente. Para que esto ocurra, los polos de los cristales deben estar permanentemente alineados unos con otros, en un proceso de alineamiento o polarización.
· Una característica de los materiales piezoeléctricos es que poseen una temperatura de Curie. Sometido el material a una temperatura mayor, los polos de los cristales pueden cambiar de orientación estando el material dentro de su fase sólida.
Existe materiales PZT duros, cuya temperatura de Curie está por encima de 300 grados C. Son difíciles de polarizar, excepto a temperaturas elevadas.
Los materiales PZT blandos tienen bajas temperaturas de Curie, por debajo de los 200 grados C. Pueden ser polarizados a temperaturas ambientales con campos eléctricos fuertes.
· Estando el material piezoeléctrico por encima de su temperatura de Curie, se le aplica un fuerte campo eléctrico, que obliga al alineamiento de los polos.
Manteniendo el campo eléctrico, se enfría el material consiguiendo que la polarización se conserve. Se dice entonces que el material está polarizado.Características piezoeléctricas
Una vez que el material piezoeléctrico ha sido polarizado, y es mantenido debajo de su temperatura de Curie, cuando se le aplica un pequeño campo eléctrico (inferior al de la polarización), se produce una expansión macroscópico en el eje de los polos, y la correspondiente contracción en el sentido transversal.
Para calcular esta expansión y contracción, es necesario conocer el módulo piezoeléctrico dij, donde i es la dirección del campo eléctrico y j la dirección de la resultante deformación. Para un material piezoeléctrico típico, estos son los valores para el módulo piezoeléctrico, en m/V.
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Tipo de material piezoeléctrico |
d33 |
d31 |
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PZT duro |
225 x 10-12 |
-100 x 10-12 |
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PZT suave |
600 x 10-12 |
-275 x 10-12 |
De esta manera, en referencia a la figura adjunta de un cubo, y tomando en cuenta la dimensión t que ahí se indica, las deformaciones resultan:
e33 = d33 (V/t)
e11 = d31 (V/t)
Caso de flexión en vigas. Currículo.