Ceramicas piezoeletricas

7/31/2019 Ceramicas piezoeletricas

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ApplicationnoteRTATCP01

Cermicaspiezoeltricas:

funcionamentoepropriedades

ATCPEngenhariaFsicaww.atcp.com.br/[email protected]

SoCarlos Brasil

Autor:AntnioHenriqueAlvesPereira(PereiraA.H.A.)[Revisadoepublicadoonlineem1marode2010]


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CermicasPiezoeltricas:funcionamentoepropriedades RTATCP01

2 ATCP Engenharia Fsicawww.atcp.com.br

INTRODUOEm qualquer escala de freqncia ou potncia, o elemento ativo e ncleo da maioria dos

transdutores ultra-snicos piezoeltrico, podendo ser classificado em um dos seguintes grupos [1]: cermicas piezoeltricas, cristais de quartzo, compsitos piezoeltricos, cristais hidrossolveis, monocristais piezoeltricos, semicondutores piezoeltricos, e polmeros piezoeltricos;

O que torna fundamental o conhecimento das propriedades e do comportamento eletro-mecnicodestes materiais para toda empresa e profissional que trabalha com ultra-som. Destes grupos, asCermicas Piezoeltricas o que apresenta a maior flexibilidade de formato e de propriedades, sendolargamente utilizadas na fabricao de equipamentos ultra-snicos de potncia, de ensaios no destrutivose de atuadores. Os materiais piezoeltricos tambm so utilizados em detonadores de impacto, geradoresde fascas (magic clicks), nebulizadores, atuadores, posicionadores, transformadores e em diversas

aplicaes onde o efeito piezoeltrico til.O objetivo deste application note possibilitar uma viso geral dos materiais piezoeltricos, emespecial das cermicas piezoeltricas, com o intuito de facilitar a utilizao destes materiais comentendimento de suas propriedades e caractersticas pelos clientes da ATCP Engenharia Fsica.

HISTRIAO efeito piezoeltrico foi descoberto em 1880 pelos irmos Curie e utilizado em uma aplicao

prtica pela primeira vez por Paul Langevin no desenvolvimento de sonares durante a primeira guerramundial. Langevin utilizou cristais de quartzo acoplados a massas metlicas (inventado o transdutor tipoLangevin) para gerar ultra-som na faixa de algumas dezenas de kHzs. Aps a primeira guerra mundial,devido dificuldade de se excitar transdutores construdos com cristais de quartzo por estes demandaremgeradores de alta tenso, iniciou-se o desenvolvimento de materiais piezoeltricos sintticos. Estesesforos levaram descoberta e aperfeioamento nas dcadas de 40 e 50, das cermicas piezoeltricas de

Titanato de Brio pela ento URSS e Japo, e das cermicas piezoeltricas de Titanato Zirconato deChumbo (PZTs) pelos EUA [2,3].O desenvolvimento das cermicas piezoeltricas foi revolucionrio. Alm de apresentarem

melhores propriedades que os cristais aps polarizadas, tambm oferecem geometrias e dimensesflexveis por serem fabricadas atravs da sinterizao de ps cermicos conformados via prensagem ouextruso. Atualmente as cermicas piezoeltricas tipo PZT, em suas diversas variaes, so as cermicaspredominantes no mercado. Tambm podemos encontrar outros materiais, como por exemplo, o PT(PbTiO3) e o PMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3), utilizados em dispositivos que exigem propriedades especiais emuito especficas, como transdutores para alta temperatura.

O QUE SO E COMO FUNCIONAMAs cermicas piezoeltricas so corpos macios semelhantes s utilizadas em isoladores

eltricos, vide Fig. 1; so constitudas de inmeros cristais ferroeltricos microscpicos, sendo inclusive

denominadas como policristalinas.

Figura 1 Exemplos de cermicas piezoeltricas. Da esquerda para a direita: disco para equipamentosde ultra-som para fisioterapia, tubo para sonares e anel para mquinas de solda por ultra-som.


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Particularmente nas cermicas tipo PZT, estes pequenos cristais possuem estrutura cristalina tipoPerovskita, que apresenta simetria tetragonal, rombodrica ou cbica simples, dependendo da temperaturaem que o material se encontra, vide Fig. 2. Estando abaixo de uma determinada temperatura crtica,conhecida como temperatura de Curie, a estrutura Perovskita apresenta a simetria tetragonal em que ocentro de simetria das cargas eltricas positivas no coincide com o centro de simetria das cargasnegativas, dando origem a um dipolo eltrico, como ilustrado no item 1 da Fig. 2.

Figura 2 - Estrutura Perovskita das cermicas piezoeltricas tipo PZT: 1) Abaixo da temperatura de

Curie. 2) Acima da temperatura de Curie.

A existncia deste dipolo faz com que a estrutura cristalina se deforme na presena de um campoeltrico e gere um deslocamento eltrico quando submetida a uma deformao mecnica, o quecaracteriza o efeito piezoeltrico inverso e direto respectivamente. A deformao mecnica ou a variaodo dipolo eltrico da estrutura cristalina da cermica no implica necessariamente em efeitosmacroscpicos, visto que os dipolos se arranjam em domnios, que por sua vez se distribuemaleatoriamente no material policristalino. Para que ocorram manifestaes macroscpicas necessriauma orientao preferencial destes domnios, conhecida como polarizao1. Inclusive esta polarizao seesvaece com o tempo e uso, inutilizando o material para a transformao de energia eltrica em mecnica[4,5].

Nos sistemas de solda e limpeza por ultra-som, por exemplo, explorado o efeito piezoeltricoinverso, com a aplicao de um campo eltrico alternado em uma cermica piezoeltrica devidamentepolarizada, ocorre a transduo de uma parte considervel da energia da excitao eltrica em energiamecnica, atravs da deformao da cermica e conseqente gerao de ultra-som, vide exemplo doefeito piezoeltrico inverso da Fig. 3.

Figura 3 - Efeito piezoeltrico inverso em um basto de cermica piezoeltrica polarizado no

comprimento: Um campo eltrico aplicado em concordncia com o campo utilizado na polarizao fazcom que ele se alongue, e um campo com polaridade invertida, que ele se contraia.

PRINCIPAIS CONSTANTESEm slidos ordinrios, o deslocamento eltrico pode ser considerado uma funo exclusiva do

vetor campo eltrico (E) e das constantes dieltricas (); e a deformao mecnica (S) uma funo

1No processo de polarizao o corpo cermico recebe eletrodos em um par de faces paralelas atravs das quais se submete o material

aquecido a um campo eltrico com intensidade prxima ao limite de ruptura dieltrica, induzindo uma polarizao macroscpicaremanescente aps este processo.


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exclusiva das tenses mecnicas (T) e constantes elsticas (s), como apresentado em notao matricialpelas equaes:

j

E

iji

k

S

mkm

TsS

ED

=

= (1).

Nos materiais piezoeltricos ocorre o acoplamento das variveis mecnicas e eltricas: Aomesmo tempo em que a deformao depende das tenses mecnicas, ela tambm depende do campoeltrico, e ao mesmo tempo em que o deslocamento eltrico depende do campo, ele tambm depende dadeformao mecnica. Podemos visualizar melhor este acoplamento na equao (tambm escrita emnotao matricial [6]):

mmij

E

iji

k

S

mkimim

EdTsS

ESeD

+=

+= (2).

Existe um conjunto de coeficientes (e e d) que so utilizados para caracterizar os materiaispiezoeltricos, e particularmente nos casos de interesse recorrentes, as cermicas piezoeltricas. Atravsdestes coeficientes e constantes podemos ter uma idia do desempenho piezoeltrico e que aplicaeseste ou aquele material mais adequado [7].

Coeficientes de acoplamento kPodendo ser definidos e calculados de diversas formas, os coeficientes de acoplamento kpodem

ser interpretados como o rendimento do material em absorver a energia eltrica fornecida pela fonte deexcitao.

Constantes piezoeltricas dAs constantes piezoeltricas destabelecem uma proporcionalidade entre a gerao de cargas e as

tenses mecnicas aplicadas (efeito piezoeltrico direto) e entre a deformao em funo de um campoeltrico aplicado (efeito piezoeltrico inverso). Nas equaes 3-A e 3-B temos a definio diferencial dasconstantes d a temperatura e campo eltrico constante. Podemos comparar o carter piezoeltrico dediferentes materiais atravs das constantes d, sendo especialmente relevantes no projeto de atuadores eposicionadores.

,Eij

nnij

TDd

= (C/N) (3-A),

,Tn

ij

nijE

Sd

= (m/V) (3-B).

Constantes dieltricas KAs constantes dieltricas estabelecem uma proporcionalidade entre o deslocamento eltrico e o

campo eltrico aplicado. Na equao 4 temos a definio diferencial da permissividade dieltrica atemperatura e campo eltrico constante, sendo K=/0.

,

,

Tm

nT

nm E

D

= (C2

/Nm2

) (4).

As constantes dieltricas so importantes porque determinam a capacitncia da cermicapiezoeltrica, que por sua vez determinante no clculo e projeto dos circuitos casadores de impedncia.

Constantes piezoeltricas gDefinidas como a razo entre as constantes de , correlacionam a resposta em tenso eltrica do

material a uma tenso mecnica aplicada (possui dimenso de Vm/N), sendo especialmente relevantes noprojeto de sensores.

Constantes elsticas sAs constantes elsticas s estabelecem uma proporcionalidade entre a deformao e a tenso

aplicada. So as constantes de mola do material. A partir das constantes elsticas, definidas na formadiferencial como apresentado na equao 5, podemos calcular a velocidade de propagao de ondas


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acsticas no material piezoeltrico em qualquer direo e polaridade, e estimar variaes dimensionaisem funo de presses estticas.

Ekl

ijE

ijklT

Ss

=

,(5).

Constantes de freqncia NEm geometrias em que temos um modo de vibrao desacoplado, a constante de freqncia

definida como o produto da freqncia de ressonncia pela dimenso em questo, podendo ser esta umcomprimento, dimetro ou espessura. A partir da constante de freqncia podemos estimar a freqnciade ressonncia para a mesma geometria com dimenses diferentes.

As constantes de freqncia so muito teis no projeto de transdutores ultra-snicos para aestimativa da freqncia de operao. Tambm podemos estimar as velocidades de propagao do somem um material atravs das constantes de freqncia, duplicando-as.

Fator de qualidade mecnico Qme fator de dissipao dieltrico tan O fator de Qualidade mecnico e o fator de dissipao dieltrico so umas das constantes mais

importantes na definio das possveis aplicaes dinmicas do material, por determinarem quais sero as

perdas de energia do processo de transduo. a partir deles que se determina, por exemplo, se o materialem questo adequado para aplicaes de potncia tais como os sistemas de limpeza por ultra-som.

Temperatura de Curie a temperatura crtica onde a estrutura cristalina do material sofre a transio de fase da simetria

tetragonal para cbica. Uma cermica policristalina que submetida a uma temperatura superior ou igual temperatura de Curie, quando resfriada recupera suas caractersticas piezoeltricas microscpicas, masno as macroscpicas, por perder a orientao preferencial dos domnios gerada pelo processo depolarizao, que possibilita a utilizao prtica do material como transdutor eletro-mecnico.

Limite de trao dinmico o limite mximo de trao a que o material pode ser submetido dinamicamente sem se

romper/quebrar. Este limite deve ser levado em considerao principalmente no projeto de transdutores

de potncia, onde as cermicas piezoeltricas so submetidas a altos campos eltricos que promovemtanto a contrao (compresso) quanto expanso (trao) do material.

Taxa de envelhecimento a taxa com que as propriedades piezoeltricas do material se alteram no tempo medida que a

orientao dos domnios de dipolos, realizada pelo processo de polarizao, se esvaece.

MATERIAIS COMERCIAIS & APLICAESOs principais materiais piezoeltricos comerciais e as respectivas propriedades esto listados na

Tabela 1 apresentada na pgina seguinte.O PZT-4 utilizado normalmente em sistemas de limpeza por ultra-som e fisioterapia, o PZT-8

em sistema de solda por ultra-som, o PZT-5A em sensores e transdutores para ensaios no destrutivos, oPZT-5J e 5H para geradores de fasca por impacto (detonadores e magic clicks) e posicionadores

respectivamente.


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Tabela I Principais materiais piezoeltricos comerciais e as respectivas constantes.

Material PZT-4 PZT-8 PZT-5A PZT-5J PZT-5H

kp 0,60 0,50 0,61 0,60 0,63

k33 0.68 0,63 0,70 0,71 0,73

d33 (10-12 C/N) 300 215 400 460 550

d31 (10-12 C/N) -11.5 - 9.5 - 170 - 210 - 265

g33 (x10-3 Vm/N) 26 25 25 22 19

g31 (x10-3 Vm/N) - 11 - 11 - 11 - 9 - 9

KT3 (baixo sinal)C. dieltrica relativa

1250 1000 1750 2450 3100

Fator de dissipaotan (baixo campo) 0,004 0,004 0,020 0,020 0,020

Densidade (kg/m3) 7600 7600 7650 7500 7500

Temp. de Curie(oC)

325 330 360 260 190

Fator de qualidadeQm

500 1000 75 70 65

sE11 (x10 12 m2/N) 12 11 19 23 21

sE33 (x10 12 m2/N) 16 14 16 16 15

Np (Hz-m)(modo planar)

2200 2270 1950 2000 1950

Nt (Hz-m)(modo espessura)

1905 2032 1800 1950 2000

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS[1] GALLEGO, J.; Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers, J. Phys. E: Sci. Instrum., 22 804-816 1989[2] SUSLICK, K.S.; The Chemical Effects of Ultrasound, Scientific American February 1989.[3] CADY, W. G.; Piezoelectricity: An Introduction to the Theory and Applications of ElectromechanicalPhenomena in Crystals, Dover Press, 1964.

[4] JAFFE, B.; Piezoelectric Ceramics, Academic Press, 1971.[5] Piezoelectric ceramics: Properties and Applications, Morgan Electro Ceramics Inc. technicalpublication.[6] NYE, J.F.; Physical Properties of Crystals, Clarendon Press, 1985.[7] IKEDA, T.; Fundamental of Piezoelectricity, Oxford University Press, 1990.

Notas: i) O contedo deste application note foi adaptado da dissertao de mestrado DESENVOLVIMENTO ECARACTERIZAO DE TRANSDUTORES ULTRA-SNICOS DE POTNCIA BI-FREQNCIAIS PARA SISTEMAS DELIMPEZA POR ULTRA-SOM, do mesmo autor, apresentada em 2005 na UFSCar pelo PPGCEM e de web sites relevantes sobreo assunto em questo. ii) A ATCP Engenharia Fsica no se responsabiliza pelo uso das informaes contidas neste relatrio eeventuais perdas e danos associados.

Voc tem sugestes e/ou crticas para melhorar este artigo?

Envie para [email protected] a/c Henrique Alves. Obrigado!


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