Piezoelectricidad

Saldo piezoeléctrico presentado por Pierre Curie a Lord Kelvin, Museo Hunterian, Glasgow

Piezoelectricidad (,) es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, ciertas cerámicas y materia biológica como huesos, ADN y varias proteínas, en respuesta a la acción mecánica aplicada. estrés. La palabra piezoelectricidad significa electricidad resultante de la presión y el calor latente. Se deriva de la palabra griega πιέζειν; piezein, que significa apretar o presionar, y ἤλεκτρον ēlektron, que significa ámbar, una antigua fuente de carga eléctrica.

El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico en materiales cristalinos sin simetría de inversión. El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible: los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, la generación interna de una tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generarán piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforme en aproximadamente un 0,1 % de la dimensión original. Por el contrario, esos mismos cristales cambiarán aproximadamente un 0,1 % de su dimensión estática cuando se aplique un campo eléctrico externo. El efecto piezoeléctrico inverso se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.

Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. El efecto piezoeléctrico se ha explotado en muchas aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, generación de electricidad de alto voltaje, como generador de reloj en dispositivos electrónicos., en microbalanzas, para impulsar una boquilla ultrasónica y en el enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. Constituye la base para los microscopios de sonda de barrido que resuelven imágenes a la escala de los átomos. Se utiliza en las pastillas de algunas guitarras amplificadas electrónicamente y como disparadores en la mayoría de las baterías electrónicas modernas. El efecto piezoeléctrico también encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender dispositivos de cocina y calefacción a gas, antorchas y encendedores de cigarrillos.

Historia

Descubrimiento e investigación temprana

El efecto piroeléctrico, por el cual un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII. Basándose en este conocimiento, tanto René Just Haüy como Antoine César Becquerel propusieron una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica; sin embargo, los experimentos de ambos no fueron concluyentes.

Vista del cristal de piezo en la parte superior de un compensador de Curie en el Museo de Escocia.

La primera demostración del efecto piezoeléctrico directo fue en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie. Combinaron su conocimiento de la piroelectricidad con su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes que dieron lugar a la piroelectricidad para predecir el comportamiento del cristal y demostraron el efecto utilizando cristales de turmalina, cuarzo, topacio, azúcar de caña y sal de Rochelle (tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio). La sal de cuarzo y Rochelle exhibió la mayor piezoelectricidad.

Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma (el cambio en forma es enormemente exagerado).

Los Curie, sin embargo, no predijeron el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto inverso fue deducido matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de las deformaciones electroelasto-mecánicas en los cristales piezoeléctricos.

Durante las siguientes décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una especie de curiosidad de laboratorio, aunque fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie en 1898. Se trabajó más para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibió piezoelectricidad. Esto culminó en 1910 con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook on Crystal Physics) de Woldemar Voigt, que describía las 20 clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad, y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas usando análisis tensorial.

Primera Guerra Mundial y años de entreguerras

La primera aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos fue el sonar, desarrollado por primera vez durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, en 1917, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. El detector constaba de un transductor, hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados entre dos placas de acero, y un hidrófono para detectar el eco devuelto. Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir la cantidad de tiempo que lleva escuchar un eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, se puede calcular la distancia a ese objeto.

El uso de la piezoelectricidad en el sonar y el éxito de ese proyecto crearon un intenso interés de desarrollo en los dispositivos piezoeléctricos. Durante las próximas décadas, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para esos materiales.

Los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en muchos campos. Los cartuchos de fonógrafo de cerámica simplificaron el diseño del reproductor, eran baratos y precisos, e hicieron que los tocadiscos fueran más baratos de mantener y más fáciles de construir. El desarrollo del transductor ultrasónico permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad en fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo (que envían un pulso ultrasónico a través de un material y miden los reflejos de las discontinuidades) podrían encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, mejorando la seguridad estructural.

Segunda Guerra Mundial y posguerra

Durante la Segunda Guerra Mundial, grupos de investigación independientes en los Estados Unidos, Rusia y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos, llamados ferroeléctricos, que exhibían constantes piezoeléctricas muchas veces más altas que los materiales naturales. Esto condujo a una intensa investigación para desarrollar titanato de bario y, posteriormente, materiales de titanato de zirconato de plomo con propiedades específicas para aplicaciones particulares.

Un ejemplo significativo del uso de cristales piezoeléctricos fue desarrollado por Bell Telephone Laboratories. Después de la Primera Guerra Mundial, Frederick R. Lack, que trabajaba en radiotelefonía en el departamento de ingeniería, desarrolló el "AT cut" cristal, un cristal que operaba a través de una amplia gama de temperaturas. El cristal de Lack no necesitaba los accesorios pesados que usaba el cristal anterior, lo que facilita su uso en aviones. Este desarrollo permitió a las fuerzas aéreas aliadas participar en ataques masivos coordinados mediante el uso de la radio de aviación.

El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos en los Estados Unidos se mantuvo dentro de las empresas que realizaban el desarrollo, principalmente debido a los inicios del campo durante la guerra y en aras de obtener patentes rentables. Los nuevos materiales fueron los primeros en desarrollarse: los cristales de cuarzo fueron el primer material piezoeléctrico explotado comercialmente, pero los científicos buscaron materiales de mayor rendimiento. A pesar de los avances en los materiales y la maduración de los procesos de fabricación, el mercado de los Estados Unidos no creció tan rápido como lo hizo el de Japón. Sin muchas aplicaciones nuevas, el crecimiento de los Estados Unidos' industria piezoeléctrica sufrió.

Por el contrario, los fabricantes japoneses compartieron su información, superando rápidamente los desafíos técnicos y de fabricación y creando nuevos mercados. En Japón, Issac Koga desarrolló un corte de cristal estable a la temperatura. Los esfuerzos japoneses en la investigación de materiales crearon materiales piezocerámicos competitivos con los materiales de los Estados Unidos pero libres de costosas restricciones de patentes. Los principales desarrollos piezoeléctricos japoneses incluyeron nuevos diseños de filtros piezocerámicos para radios y televisores, zumbadores piezoeléctricos y transductores de audio que se pueden conectar directamente a circuitos electrónicos, y el encendedor piezoeléctrico, que genera chispas para sistemas de encendido de motores pequeños y encendedores de parrillas de gas, al comprimir un disco de cerámica. Los transductores ultrasónicos que transmiten ondas de sonido a través del aire existían desde hacía bastante tiempo, pero primero vieron un uso comercial importante en los primeros controles remotos de televisión. Estos transductores ahora están montados en varios modelos de automóviles como un dispositivo de ecolocalización, lo que ayuda al conductor a determinar la distancia desde el automóvil hasta cualquier objeto que pueda estar en su camino.

Mecanismo

Placa piezoeléctrica utilizada para convertir señal de audio a ondas de sonido

La naturaleza del efecto piezoeléctrico está estrechamente relacionada con la aparición de momentos dipolares eléctricos en los sólidos. Este último puede ser inducido por iones en sitios de red cristalina con un entorno de carga asimétrica (como en BaTiO3 y PZT) o puede ser transportado directamente por grupos moleculares (como en la caña de azúcar). La densidad dipolar o polarización (dimensionalidad [C·m/m³]) se puede calcular fácilmente para los cristales sumando los momentos dipolares por volumen de la celda unitaria cristalográfica. Como todo dipolo es un vector, la densidad del dipolo P es un campo vectorial. Los dipolos cercanos entre sí tienden a estar alineados en regiones llamadas dominios de Weiss. Los dominios suelen estar orientados aleatoriamente, pero se pueden alinear mediante el proceso de polarización (no es lo mismo que la polarización magnética), un proceso mediante el cual se aplica un fuerte campo eléctrico a través del material, generalmente a temperaturas elevadas.. No todos los materiales piezoeléctricos se pueden polarizar.

De decisiva importancia para el efecto piezoeléctrico es el cambio de polarización P al aplicar una tensión mecánica. Esto podría ser causado por una reconfiguración del entorno que induce el dipolo o por una reorientación de los momentos dipolares moleculares bajo la influencia de la tensión externa. La piezoelectricidad puede entonces manifestarse en una variación de la fuerza de polarización, su dirección o ambas, dependiendo los detalles de: 1. la orientación de P dentro del cristal; 2. simetría cristalina; y 3. la tensión mecánica aplicada. El cambio en P aparece como una variación de la densidad de carga superficial sobre las caras del cristal, es decir, como una variación del campo eléctrico que se extiende entre las caras causada por un cambio en la densidad del dipolo. en la mayor parte Por ejemplo, un cubo de cuarzo de 1 cm³ con 2 kN (500 lbf) de fuerza aplicada correctamente puede producir un voltaje de 12 500 V.

Los materiales piezoeléctricos también muestran el efecto opuesto, llamado efecto piezoeléctrico inverso, donde la aplicación de un campo eléctrico crea una deformación mecánica en el cristal.

Descripción matemática

La piezoelectricidad lineal es el efecto combinado de

• El comportamiento eléctrico lineal del material:

${displaystyle mathbf {D} ={boldsymbol {varepsilon },mathbf {E} quad implies }$ ${displaystyle quad D_{i}=sum _{j}varepsilon - ¿Qué?$

Donde D es la densidad del flujo eléctrico (desplazamiento eléctrico), ε es la permittividad (la constante dieléctrica del cuerpo libre), E es la fuerza de campo eléctrico, y ${displaystyle nabla cdot mathbf {D} =0}$ ${displaystyle nabla times mathbf {E} = 'mathbf {0}$.

• Ley de Hooke para materiales elásticos lineales:

${displaystyle {boldsymbol {S}={mathsf {s},{boldsymbol {T}quad implies quad S_{ij}=sum ¿Por qué?$

Donde S es la cepa linealizada, s es cumplimiento bajo condiciones de cortocircuito, T es estrés, y

${displaystyle nabla cdot {boldsymbol {T}=mathbf {0} ,,,,{boldsymbol {S}={frac {nabla mathbf {u} # Mathbf {u} nabla } {2}}$,

Donde u es vectores.

Estos pueden combinarse en las llamadas ecuaciones acopladas, de las cuales la forma tensión-carga es:

${displaystyle {begin{aligned}{boldsymbol {S}={mathsf {fnMicrosoft Sans} {T}+ {fnMitfrak} {fnMitbf} quad implies quad S_{ij}=sum ¿Qué? ¿Qué? {fnMicrok},{boldsymbol {T}+{boldsymbol {varepsilon },mathbf {E} quad implies quad D_{i}=sum ¿Por qué? ¿Qué?$

Donde ${displaystyle {fnK}}$ es el tensor piezoeléctrico y el superscript t representa su transpose. Debido a la simetría de ${displaystyle {fnK}}$, ${displaystyle ¿Qué?$.

En forma matricial,

${fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {f}}\fnMicrom {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft ]\\\\fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft ]\\\\fnMicrosoft,fnMicrosoft,\fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,\\fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMinMinMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMinMicrosoft,fnMinMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicrosoft,fnMicro$

donde [d] es la matriz para el efecto piezoeléctrico directo y [d^t ] es la matriz para el efecto piezoeléctrico inverso. El superíndice E indica un campo eléctrico cero o constante; el superíndice T indica un campo de tensión cero o constante; y el superíndice t representa la transposición de una matriz.

Observe que el tensor del tercer orden ${displaystyle {fnK}}$ mapas vectores en matrices simétricas. No hay tensores invariantes de rotación no-trivial que tengan esta propiedad, por lo que no hay materiales piezoeléctricos isotrópicos.

La carga de deformación para un material de la clase de cristal de 4 mm (C_4v) (como una cerámica piezoeléctrica polarizada como PZT tetragonal o BaTiO₃) también ya que la clase de cristal de 6 mm también se puede escribir como (ANSI IEEE 176):

${0}{0}{0} {0} {0} {0}} {0} {0}$

${0} {0} {0} {0} {0} {0} {0}} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0} {0}} {0}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}} {}}}}} {} {}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {} {}}}} {}}} { ################################################################################################################################################################################################################################################################ }_{22} {begin{bmatrix}}} {begin{bmatrix}}}E_{1}E_{2}E_}E_{3}end{bmatrix}}}}}}$

donde la primera ecuación representa la relación para el efecto piezoeléctrico inverso y la última para el efecto piezoeléctrico directo.

Aunque las ecuaciones anteriores son la forma más utilizada en la literatura, son necesarios algunos comentarios sobre la notación. Generalmente, D y E son vectores, es decir, tensores cartesianos de rango 1; y la permitividad ε es un tensor cartesiano de rango 2. La deformación y la tensión son, en principio, también tensores de rango 2. Pero convencionalmente, debido a que la deformación y la tensión son todos tensores simétricos, el subíndice de deformación y tensión se puede volver a etiquetar de la siguiente manera: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (Diferentes convenciones pueden ser utilizadas por diferentes autores en la literatura. Por ejemplo, algunos usan 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6 en su lugar). Es por eso que S y T parece tener la "forma vectorial" de seis componentes. En consecuencia, s parece ser una matriz de 6 por 6 en lugar de un tensor de rango 3. Tal notación reetiquetada a menudo se denomina notación de Voigt. Si los componentes de la deformación por corte S₄, S₅, S ₆ son componentes de tensores o deformaciones de ingeniería es otra cuestión. En la ecuación anterior, deben ser deformaciones de ingeniería para que el coeficiente 6,6 de la matriz de cumplimiento se escriba como se muestra, es decir, 2(s^E
₁₁ − s^E
₁₂). Las deformaciones de corte de ingeniería son el doble del valor del corte de tensor correspondiente, como S₆ = 2S₁₂ y pronto. Esto también significa que s₆₆ = 1/G₁₂, donde G₁₂ es el módulo de cortante.

En total, hay cuatro coeficientes piezoeléctricos, d_ij, e_ij, g _ij, y h_ij definidos de la siguiente manera:

${displaystyle {begin{aligned}d_{ij=left({frac} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fn}}}} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft}}}}} {cH}}}} {fnMicrosoft}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { ¿Por qué? S_{j}{partial E_{i}}right)}{T}e_{ij=left({frac {partial D_{i}}{partial ¿Qué? T_{j}{partial E_{i}}right)}g_{ij=-left({frac {partial E_{i}}{partial ¿Por qué? S_{j}{partial ¿Qué? ¿Qué? T_{j}{partial - Sí.$

donde el primer conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico directo y el segundo conjunto de cuatro términos corresponde al efecto piezoeléctrico inverso. La igualdad entre el tensor piezoeléctrico directo y la transpuesta del tensor piezoeléctrico inverso se origina en las relaciones termodinámicas de Maxwell. Para aquellos cristales piezoeléctricos para los cuales la polarización es del tipo inducido por campo cristalino, se ha elaborado un formalismo que permite el cálculo de coeficientes piezoeléctricos d_ij a partir de redes electrostáticas constantes o constantes de Madelung de orden superior.

Clases de cristal

Cualquier carga espacialmente separada resultará en un campo eléctrico, y por lo tanto un potencial eléctrico. Aquí se muestra una dieléctrica estándar en un condensador. En un dispositivo piezoeléctrico, el estrés mecánico, en lugar de un voltaje aplicado externamente, provoca la separación de carga en los átomos individuales del material.

De las 32 clases de cristal, 21 son no centrosimétricas (sin centro de simetría) y, de estas, 20 exhiben piezoelectricidad directa (la 21 es la clase cúbica 432). Diez de estos representan las clases de cristales polares, que muestran una polarización espontánea sin estrés mecánico debido a un momento dipolar eléctrico que no desaparece asociado con su celda unitaria, y que exhiben piroelectricidad. Si el momento dipolar se puede invertir aplicando un campo eléctrico externo, se dice que el material es ferroeléctrico.

• Las 10 clases polares (piroeléctricas) de cristal: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
• Las otras 10 clases de cristal piezoeléctrico: 222, 4, 422, 42m, 32, 6, 622, 62m, 23, 43m.

Para los cristales polares, para los cuales P ≠ 0 se mantiene sin aplicar una carga mecánica, el efecto piezoeléctrico se manifiesta al cambiar la magnitud o la dirección de < b>P o ambos.

Para los cristales no polares pero piezoeléctricos, por otro lado, una polarización P diferente de cero solo se obtiene aplicando una carga mecánica. Para ellos, se puede imaginar que la tensión transforma el material de una clase de cristal no polar (P = 0) a uno polar, que tiene P ≠ 0.

Materiales

Muchos materiales exhiben piezoelectricidad.

Materiales cristalinos

• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄) – un cristal cuarzo-analogoso
• Ortofosfato de calcio (GaPO₄) – un cristal cuarzo-analogoso
• Lithium niobate (LiNbO₃)
• Talato de litio (LiTaO₃)
• Quartz
• Berlinite (AlPO₄) – un mineral de fosfato raro que es estructuralmente idéntico al cuarzo
• Sal de Rochelle
• Topaz – Piezoelectricity in Topaz puede atribuirse probablemente a la orden de la (F,OH) en su celo, que es de otro modo centrosmétricos: orthorhombic bipyramidal (mmm). El topacio tiene propiedades ópticas anómalas que se atribuyen a tal pedido.
• Minerales de grupo turístico
• Titanato plomo (PbTiO₃) – Aunque ocurre en la naturaleza como macedonita mineral, se sintetiza para investigación y aplicaciones.

Cerámica

Tetragonal unit cell of lead titanate

La cerámica con granos orientados al azar debe ser ferroeléctrica para exhibir piezoelectricidad. La aparición de un crecimiento de grano anormal (AGG) en cerámicas piezoeléctricas policristalinas sinterizadas tiene efectos perjudiciales en el rendimiento piezoeléctrico en tales sistemas y debe evitarse, ya que la microestructura en las piezocerámicas que exhiben AGG tiende a consistir en pocos granos alargados anormalmente grandes en una matriz de partículas aleatorias. granos más finos orientados. La piezoelectricidad macroscópica es posible en materiales piezoeléctricos no ferroeléctricos policristalinos texturizados, como AlN y ZnO. Las familias de cerámicas con perovskita, tungsteno-bronce y estructuras relacionadas exhiben piezoelectricidad:

• Titanato de zirconato de plomoPb[Zr]_xTi_1-xO₃ con 0 ≤x≤ 1) – más comúnmente conocido como PZT, la cerámica piezoeléctrica más común en uso hoy.
• Niobre de potasio (KNbO₃)
• Tungstate de sodio (Na₂WO₃)
• Ba₂NaNb₅O₅
• Pb₂KNb₅O₁₅
• óxido de zinc (ZnO) – Estructura de Wurtzita. Mientras que los cristales individuales de ZnO son piezoeléctricos y piroeléctricos, policristalinos (cerámicos) ZnO con granos orientados al azar exhiben ningún efecto piezoeléctrico ni piroeléctrico. No ser ferroeléctrico, policristalina ZnO no puede ser poled como titanato de bario o PZT. Las cerámicas y las películas finas policristalinas de ZnO pueden exhibir la piezoeléctrica macroscópica y la piroelectricidad sólo si son texturadas (las líneas están orientadas preferentemente), de tal manera que las respuestas piezoeléctricas y piroeléctricas de todos los granos individuales no cancelan. Esto se logra fácilmente en películas finas policristalinas.

Piezocerámica sin plomo

• Niopato de potasio de sodio (K,Na)NbO₃). Este material también se conoce como NKN o KNN. En 2004, un grupo de investigadores japoneses liderados por Yasuyoshi Saito descubrió una composición de niobato de potasio sodio con propiedades cercanas a las de PZT, incluyendo un alto T_C. Ciertas composiciones de este material han demostrado conservar un factor de alta calidad mecánica (Q_mΩ 900) con niveles de vibración crecientes, mientras que el factor de calidad mecánica de PZT duro se degrada en tales condiciones. Este hecho hace de NKN un reemplazo prometedor para aplicaciones de resonancia de alta potencia, como transformadores piezoeléctricos.
• Bismuth ferrite (BiFeO₃) – un candidato prometedor para la sustitución de cerámica basada en plomo.
• Niopato de sodio (NaNbO₃)
• Titanato de bario (BaTiO)₃) – El titanato de bario fue la primera cerámica piezoeléctrica descubierta.
• Bismuth titanate (Bis₄Ti₃O₁₂)
• Titanato de bióxido de sodio (NaBi(TiO)₃)₂)

La fabricación de piezocerámicas sin plomo plantea múltiples desafíos, desde el punto de vista ambiental y su capacidad para replicar las propiedades de sus contrapartes a base de plomo. Al eliminar el componente de plomo de la piezocerámica, el riesgo de toxicidad para los humanos disminuye, pero la minería y la extracción de los materiales pueden ser perjudiciales para el medio ambiente. El análisis del perfil ambiental de PZT frente al niobato de sodio y potasio (NKN o KNN) muestra que, en los cuatro indicadores considerados (consumo de energía primaria, huella toxicológica, ecoindicador 99 y emisiones de gases de efecto invernadero aguas arriba de entrada y salida), KNN es en realidad más perjudicial para el medio ambiente. La mayoría de las preocupaciones con KNN, específicamente su componente Nb₂O₅, se encuentran en la fase inicial de su ciclo de vida antes de que llegue a los fabricantes. Dado que los impactos nocivos se centran en estas primeras fases, se pueden tomar algunas medidas para minimizar los efectos. Devolver la tierra a su forma original después de la extracción de Nb₂O₅ a través de la deconstrucción de una presa o reemplazar una reserva de suelo utilizable son ayudas conocidas para cualquier evento de extracción. Para minimizar los efectos de la calidad del aire, aún es necesario realizar modelos y simulaciones para comprender completamente qué métodos de mitigación se requieren. La extracción de componentes piezocerámicos sin plomo no ha crecido a una escala significativa en este momento, pero desde los primeros análisis, los expertos recomiendan precaución cuando se trata de efectos ambientales.

La fabricación de piezocerámicas sin plomo enfrenta el desafío de mantener el rendimiento y la estabilidad de sus contrapartes a base de plomo. En general, el principal desafío de fabricación es crear los "límites de fase morfotrópica (MPB)" que proporcionan a los materiales sus propiedades piezoeléctricas estables sin introducir los "límites de fase polimórfica (PPB)" que disminuyen la estabilidad térmica del material. Los nuevos límites de fase se crean variando las concentraciones de aditivos para que las temperaturas de transición de fase converjan a temperatura ambiente. La introducción de MPB mejora las propiedades piezoeléctricas, pero si se introduce un PPB, el material se ve afectado negativamente por la temperatura. Se están realizando investigaciones para controlar el tipo de límites de fase que se introducen a través de la ingeniería de fase, la difusión de transiciones de fase, la ingeniería de dominio y la modificación química.

Semiconductores III–V y II–VI

Se puede crear un potencial piezoeléctrico en cualquier cristal semiconductor a granel o nanoestructurado que no tenga simetría central, como los materiales del Grupo III-V y II-VI, debido a la polarización de iones bajo tensión y tensión aplicadas. Esta propiedad es común a las estructuras cristalinas de zincblenda y wurtzita. En primer orden, solo hay un coeficiente piezoeléctrico independiente en zincblenda, llamado e₁₄, acoplado a los componentes de corte de la deformación. En wurtzita, en cambio, hay tres coeficientes piezoeléctricos independientes: e₃₁, e₃₃ y e< /i>₁₅. Los semiconductores en los que se observa la piezoelectricidad más fuerte son los que se encuentran comúnmente en la estructura de wurtzita, es decir, GaN, InN, AlN y ZnO (ver piezotrónica).

Desde 2006, también ha habido una serie de informes de fuertes efectos piezoeléctricos no lineales en semiconductores polares. En general, se reconoce que tales efectos son al menos importantes, si no del mismo orden de magnitud que la aproximación de primer orden.

Polímeros

La respuesta piezoeléctrica de los polímeros no es tan alta como la respuesta de la cerámica; sin embargo, los polímeros tienen propiedades que la cerámica no tiene. En las últimas décadas, se han estudiado y aplicado polímeros piezoeléctricos no tóxicos debido a su flexibilidad y menor impedancia acústica. Otras propiedades que hacen que estos materiales sean significativos incluyen su biocompatibilidad, biodegradabilidad, bajo costo y bajo consumo de energía en comparación con otros materiales piezoeléctricos (cerámica, etc.). Se pueden utilizar polímeros piezoeléctricos y compuestos poliméricos no tóxicos dadas sus diferentes propiedades físicas.

Los polímeros piezoeléctricos se pueden clasificar en polímeros a granel, polímeros con carga anulada ("piezoelectrets") y compuestos poliméricos. Una respuesta piezoeléctrica observada por polímeros a granel se debe principalmente a su estructura molecular. Hay dos tipos de polímeros a granel: amorfos y semicristalinos. Ejemplos de polímeros semicristalinos son el fluoruro de polivinilideno (PVDF) y sus copolímeros, las poliamidas y el parileno-C. Los polímeros no cristalinos, como la poliimida y el cloruro de polivinilideno (PVDC), se incluyen en los polímeros a granel amorfos. Los polímeros con carga vacía exhiben el efecto piezoeléctrico debido a la carga inducida por polarización de una película polimérica porosa. Bajo un campo eléctrico, se forman cargas en la superficie de los vacíos formando dipolos. Las respuestas eléctricas pueden ser causadas por cualquier deformación de estos vacíos. El efecto piezoeléctrico también se puede observar en compuestos poliméricos al integrar partículas cerámicas piezoeléctricas en una película de polímero. Un polímero no tiene que ser piezoactivo para ser un material eficaz para un compuesto polimérico. En este caso, un material podría estar formado por una matriz inerte con un componente piezoactivo separado.

PVDF exhibe una piezoelectricidad varias veces mayor que el cuarzo. La respuesta piezoeléctrica observada en PVDF es de aproximadamente 20 a 30 pC/N. Eso es un orden de 5 a 50 veces menor que el del titanato de circonato de plomo cerámico piezoeléctrico (PZT). La estabilidad térmica del efecto piezoeléctrico de los polímeros de la familia PVDF (es decir, copolitrifluoroetileno de fluoruro de vinilideno) alcanza los 125 °C. Algunas aplicaciones de PVDF son sensores de presión, hidrófonos y sensores de ondas de choque.

Debido a su flexibilidad, los compuestos piezoeléctricos se han propuesto como recolectores de energía y nanogeneradores. En 2018, Zhu et al. que se podría obtener una respuesta piezoeléctrica de aproximadamente 17 pC/N a partir del nanocompuesto PDMS/PZT con una porosidad del 60 %. Otro nanocompuesto de PDMS se informó en 2017, en el que BaTiO₃ se integró en PDMS para hacer un nanogenerador transparente y estirable para el monitoreo fisiológico autoalimentado. En 2016, se introdujeron moléculas polares en una espuma de poliuretano en la que se reportaron altas respuestas de hasta 244 pC/N.

Otros materiales

La mayoría de los materiales exhiben al menos respuestas piezoeléctricas débiles. Los ejemplos triviales incluyen sacarosa (azúcar de mesa), ADN, proteínas virales, incluidas las de bacteriófagos. Se ha informado sobre un actuador basado en fibras de madera, llamadas fibras de celulosa. Las respuestas de D33 para polipropileno celular están alrededor de 200 pC/N. Algunas aplicaciones del polipropileno celular son teclados musicales, micrófonos y sistemas de ecolocalización basados en ultrasonido. Recientemente, un solo aminoácido como la β-glicina también mostró un piezoeléctrico alto (178 pmV⁻¹) en comparación con otros materiales biológicos.

Solicitud

Actualmente, la industria y la fabricación es el mercado de aplicaciones más grande para dispositivos piezoeléctricos, seguido por la industria automotriz. La fuerte demanda también proviene de instrumentos médicos, así como de información y telecomunicaciones. La demanda mundial de dispositivos piezoeléctricos se valoró en aproximadamente 21 600 millones de dólares estadounidenses en 2015. El grupo de materiales más grande para dispositivos piezoeléctricos es la piezocerámica, y el piezopolímero está experimentando el crecimiento más rápido debido a su bajo peso y pequeño tamaño.

Los cristales piezoeléctricos ahora se usan de muchas maneras:

Alta tensión y fuentes de alimentación

La piezoelectricidad directa de algunas sustancias, como el cuarzo, puede generar diferencias de potencial de miles de voltios.

• La aplicación más conocida es el encendedor de cigarrillos eléctricos: presionar el botón hace que un martillo cargado de resorte golpee un cristal piezoeléctrico, produciendo una corriente eléctrica de alto voltaje que fluye a través de una pequeña brecha de chispa, calentando y igniendo el gas. Los chispadores portátiles utilizados para encender estufas de gas funcionan de la misma manera, y muchos tipos de quemadores de gas ahora tienen sistemas de encendido basados en piezo.
• Una idea similar está siendo investigada por DARPA en los Estados Unidos en un proyecto llamado recolección de energía, que incluye un intento de potenciar el equipo de campo de batalla por generadores piezoeléctricos incrustados en botas de soldados. Sin embargo, estas fuentes de recolección de energía por asociación afectan al cuerpo. El esfuerzo de DARPA para aprovechar 1–2 vatios del impacto continuo del zapato mientras caminaban fueron abandonados debido a la impracticalidad y la incomodidad de la energía adicional gastada por una persona que llevaba los zapatos. Otras ideas de recolección de energía incluyen recoger la energía de movimientos humanos en estaciones de tren u otros lugares públicos y convertir una pista de baile para generar electricidad. Las vibraciones de maquinaria industrial también pueden ser cosechadas por materiales piezoeléctricos para cargar baterías para suministros de respaldo o para potenciar microprocesadores de baja potencia y radios inalámbricas.
• Un transformador piezoeléctrico es un tipo de multiplicador de tensión AC. A diferencia de un transformador convencional, que utiliza acoplamiento magnético entre entrada y salida, el transformador piezoeléctrico utiliza acoplamiento acústico. Un voltaje de entrada se aplica a través de una corta longitud de una barra de material piezocerámico como PZT, creando un estrés alternado en la barra por el efecto piezoeléctrico inverso y haciendo vibrar toda la barra. La frecuencia de vibración es elegida para ser la frecuencia resonante del bloque, típicamente en el rango de 100 kilohercios a 1 megahercios. Luego se genera un voltaje de salida más alto en otra sección de la barra por el efecto piezoeléctrico. Se han demostrado las tasas de aumento de más de 1.000:1. Una característica extra de este transformador es que, al operarlo por encima de su frecuencia resonante, se puede hacer aparecer como una carga inductiva, que es útil en circuitos que requieren un comienzo suave controlado. Estos dispositivos se pueden utilizar en los inversores DC-AC para conducir lámparas fluorescentes de cátodo frío. Los transformadores Piezo son algunas de las fuentes de alta tensión más compactas.

Sensores

Disco piezoeléctrico usado como una toma de guitarra

Muchas granadas propulsadas por cohete utilizaron un fusible piezoeléctrico. Imaginado, un RPG-7 ruso

El principio de funcionamiento de un sensor piezoeléctrico es que una dimensión física, transformada en fuerza, actúa sobre dos caras opuestas del elemento sensor. Dependiendo del diseño de un sensor, diferentes "modos" para cargar el elemento piezoeléctrico se pueden utilizar: longitudinales, transversales y de corte.

La detección de variaciones de presión en forma de sonido es la aplicación de sensor más común, p. micrófonos piezoeléctricos (las ondas de sonido doblan el material piezoeléctrico, creando un voltaje cambiante) y pastillas piezoeléctricas para guitarras electroacústicas. Un sensor piezoeléctrico unido al cuerpo de un instrumento se conoce como micrófono de contacto.

Los sensores piezoeléctricos se utilizan especialmente con sonido de alta frecuencia en transductores ultrasónicos para imágenes médicas y también para pruebas industriales no destructivas (NDT).

Para muchas técnicas de detección, el sensor puede actuar tanto como sensor como como actuador; a menudo se prefiere el término transductor cuando el dispositivo actúa en esta capacidad dual, pero la mayoría de los dispositivos piezoeléctricos tienen esta propiedad de reversibilidad tanto si se utiliza como si no. Los transductores ultrasónicos, por ejemplo, pueden inyectar ondas ultrasónicas en el cuerpo, recibir la onda de retorno y convertirla en una señal eléctrica (voltaje). La mayoría de los transductores de ultrasonido médicos son piezoeléctricos.

Además de las mencionadas anteriormente, varias aplicaciones de sensores y transductores incluyen:

• Los elementos piezoeléctricos también se utilizan en la detección y generación de ondas sonar.
• Los materiales piezoeléctricos se utilizan en la detección de ejes individuales y de doble eje.
• Monitoreo de potencia en aplicaciones de alta potencia (por ejemplo, tratamiento médico, sonoquímica y procesamiento industrial).
• Los microbalances piezoeléctricos se utilizan como sensores químicos y biológicos muy sensibles.
• Las pizoeléctricas se utilizan a veces en medidores de tensión. Más comúnmente, se utiliza un elemento de efecto piezoresistivo.
• Un transductor piezoeléctrico fue utilizado en el instrumento penetrómetro en la sonda Huygens.
• Los transductores piezoeléctricos se utilizan en las almohadillas electrónicas para detectar el impacto de los palitos del batería, y para detectar movimientos musculares en la acelerografía médica.
• Los sistemas de gestión del motor automotriz utilizan transductores piezoeléctricos para detectar el golpe del motor (Knock Sensor, KS), también conocido como detonación, a ciertas frecuencias de hertz. Un transductor piezoeléctrico también se utiliza en sistemas de inyección de combustible para medir la presión absoluta múltiple (sensor MAP) para determinar la carga del motor, y en última instancia los inyectores de combustible milliseconds de tiempo.
• Los sensores de piezo ultrasónicos se utilizan en la detección de emisiones acústicas en pruebas de emisión acústica.
• Los transductores piezoeléctricos se pueden utilizar en los medidores de flujo ultrasónico de tiempo de tránsito.

Actuadores

Disco metálico con disco piezoeléctrico conectado, utilizado en un timbre

Como los campos eléctricos muy altos corresponden solo a pequeños cambios en el ancho del cristal, este ancho se puede cambiar con una precisión superior a µm, lo que convierte a los cristales piezoeléctricos en la herramienta más importante para posicionar objetos con extrema precisión, de ahí su uso. en actuadores. Las cerámicas multicapa, utilizando capas de menos de 100 µm, permiten alcanzar campos eléctricos elevados con tensiones inferiores a 150 V. Estas cerámicas se utilizan en dos tipos de actuadores: actuadores piezoeléctricos directos y actuadores piezoeléctricos amplificados. Si bien la carrera del actuador directo suele ser inferior a 100 µm, los actuadores piezoeléctricos amplificados pueden alcanzar carreras milimétricas.

• Altavoces: El voltaje se convierte en movimiento mecánico de un diafragma metálico.
• La limpieza ultrasónica generalmente utiliza elementos piezoeléctricos para producir ondas de sonido intensas en líquido.
• Motores piezoeléctricos: Los elementos piezoeléctricos aplican una fuerza direccional a un eje, lo que la hace girar. Debido a las distancias extremadamente pequeñas implicadas, el motor piezo es visto como un reemplazo de alta precisión para el motor escalón.
• Los elementos piezoeléctricos se pueden utilizar en la alineación del espejo láser, donde su capacidad para mover una masa grande (el montaje del espejo) sobre distancias microscópicas se explota para alinear electrónicamente algunos espejos láser. Al controlar con precisión la distancia entre espejos, la electrónica láser puede mantener con precisión las condiciones ópticas dentro de la cavidad láser para optimizar la salida del haz.
• Una aplicación relacionada es el modulador acousto-optic, un dispositivo que dispersa las ondas de sonido en un cristal, generado por elementos piezoeléctricos. Esto es útil para ajustar la frecuencia de un láser.
• Los microscopios de fuerza atómica y los microscopios de escaneo emplean la piezoeléctrica conversa para mantener la aguja de detección cerca del espécimen.
• Impresoras de inyección de tinta: En muchas impresoras de inyección de tinta, se utilizan cristales piezoeléctricos para conducir la eyección de tinta desde la cabeza de impresión de inyección de tinta hacia el papel.
• Motores diesel: Los motores diésel ferroviario comunes de alto rendimiento utilizan inyectores de combustible piezoeléctrico, desarrollados por Robert Bosch GmbH, en lugar de los dispositivos de válvulas más comunes.
• Control activo de vibración utilizando actuadores amplificados.
• Persianas de rayos X.
• Etapas XY para microescaneo utilizado en cámaras infrarrojas.
• Moving the patient specifically inside active CT and MRI scanners where the strong radiation or magnetism precludes electric motors.
• Los auriculares de cristal se utilizan a veces en las radios viejas o de baja potencia.
• Se puede lograr un ultrasonido focalizado de alta intensidad para calefacción localizada o crear una cavitación localizada, por ejemplo, en el cuerpo del paciente o en un proceso químico industrial.
• Pantalla de braille ajustable. Un pequeño cristal se expande aplicando una corriente que mueve una palanca para elevar las células de braille individuales.
• Actuador piezoeléctrico. Un único cristal o varios cristales se expanden aplicando un voltaje para mover y controlar un mecanismo o sistema.
• Los actuadores piezoeléctricos se utilizan para posicionamiento fino en discos duros.

Estándar de frecuencia

Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo son útiles como patrón de frecuencia.

• Los relojes de cuarzo emplean un oscilador de cristal hecho a partir de un cristal de cuarzo que utiliza una combinación de piezoeléctrica directa y conversa para generar una serie de pulsos eléctricos de tiempo regular que se utiliza para marcar el tiempo. El cristal de cuarzo (como cualquier material elástico) tiene una frecuencia natural definida (causada por su forma y tamaño) en la que prefiere oscilar, y esto se utiliza para estabilizar la frecuencia de un voltaje periódico aplicado al cristal.
• El mismo principio se utiliza en algunos transmisores de radio y receptores, y en computadoras donde crea un pulso de reloj. Ambos suelen utilizar un multiplicador de frecuencia para alcanzar rangos de gigahertz.

Motores piezoeléctricos

Un actuador de clip de palo

Los tipos de motores piezoeléctricos incluyen:

• El motor Ultrasónico utilizado para autofoco en cámaras reflejo
• Motores de gusano anclaje para movimiento lineal
• Motores rectangulares de cuatro cuadrantes con alta densidad de potencia (2,5 W/cm³) y velocidad de 10 nm/s a 800 mm/s.
• Motor de piezo pisado, usando el efecto de pinza.

Aparte del motor paso a paso stick-slip, todos estos motores funcionan con el mismo principio. Impulsado por modos de vibración ortogonales duales con una diferencia de fase de 90°, el punto de contacto entre dos superficies vibra en una trayectoria elíptica, produciendo una fuerza de fricción entre las superficies. Por lo general, una superficie está fija, lo que hace que la otra se mueva. En la mayoría de los motores piezoeléctricos, el cristal piezoeléctrico es excitado por una señal de onda sinusoidal a la frecuencia resonante del motor. Usando el efecto de resonancia, se puede usar un voltaje mucho más bajo para producir una amplitud de vibración alta.

Un motor stick-slip funciona utilizando la inercia de una masa y la fricción de una abrazadera. Dichos motores pueden ser muy pequeños. Algunos se utilizan para el desplazamiento del sensor de la cámara, lo que permite una función antivibración.

Reducción de vibraciones y ruido

Distintos equipos de investigadores han investigado formas de reducir las vibraciones en los materiales mediante la unión de elementos piezoeléctricos al material. Cuando el material se dobla por una vibración en una dirección, el sistema de reducción de vibraciones responde a la curvatura y envía energía eléctrica al elemento piezoeléctrico para que se doble en la otra dirección. Se esperan aplicaciones futuras de esta tecnología en automóviles y casas para reducir el ruido. También se han estudiado durante casi tres décadas otras aplicaciones a estructuras flexibles, como cubiertas y placas.

En una demostración en Material Vision Fair en Frankfurt en noviembre de 2005, un equipo de TU Darmstadt en Alemania mostró varios paneles que fueron golpeados con un mazo de goma, y el panel con el elemento piezoeléctrico dejó de balancearse inmediatamente.

La tecnología de fibra cerámica piezoeléctrica se utiliza como sistema de amortiguación electrónica en algunas raquetas de tenis HEAD.

Todos los transductores piezoeléctricos tienen una frecuencia de resonancia fundamental y muchas frecuencias armónicas. Los sistemas de fluidos Drop-On-Demand impulsados por piezoeléctricos son sensibles a vibraciones adicionales en la estructura piezoeléctrica que deben reducirse o eliminarse. Una empresa de inyección de tinta, Howtek, Inc. resolvió este problema reemplazando las boquillas de inyección de tinta de vidrio (rígidas) por boquillas de inyección de tinta Tefzel (blandas). Esta idea novedosa popularizó las impresoras de inyección de tinta de una sola boquilla y ahora se utilizan en impresoras de inyección de tinta 3D que funcionan durante años si se mantienen limpias por dentro y no se sobrecalientan (Tefzel se desliza bajo presión a temperaturas muy altas)

Tratamiento de la infertilidad

En personas con fracaso total previo de la fertilización, la activación piezoeléctrica de los ovocitos junto con la inyección intracitoplasmática de espermatozoides (ICSI) parece mejorar los resultados de la fertilización.

Cirugía

Piezosurgery Piezosurgery es una técnica mínimamente invasiva que tiene como objetivo cortar un tejido objetivo con poco daño a los tejidos vecinos. Por ejemplo, Hoigne et al. usa frecuencias en el rango de 25 a 29 kHz, lo que genera microvibraciones de 60 a 210 μm. Tiene la capacidad de cortar tejido mineralizado sin cortar tejido neurovascular y otros tejidos blandos, manteniendo así un área de operación libre de sangre, mejor visibilidad y mayor precisión.

Posibles aplicaciones

En 2015, investigadores de la Universidad de Cambridge, en colaboración con investigadores del Laboratorio Nacional de Física y la empresa de antenas dieléctricas Antenova Ltd, con sede en Cambridge, descubrieron que, a una determinada frecuencia, estos materiales no solo se convierten en resonadores eficientes, sino que utilizan películas delgadas de materiales piezoeléctricos. pero también radiadores eficientes, lo que significa que potencialmente pueden usarse como antenas. Los investigadores descubrieron que al someter las películas delgadas piezoeléctricas a una excitación asimétrica, la simetría del sistema se rompe de manera similar, lo que resulta en una ruptura de simetría correspondiente del campo eléctrico y la generación de radiación electromagnética.

Han surgido varios intentos de aplicación a macroescala de la tecnología piezoeléctrica para recolectar energía cinética de los peatones que caminan.

En este caso, la ubicación de áreas de alto tráfico es fundamental para la optimización de la eficiencia de recolección de energía, además de que la orientación del pavimento de baldosas afecta significativamente la cantidad total de energía recolectada. Se recomienda una evaluación de flujo de densidad para evaluar cualitativamente el potencial de recolección de energía piezoeléctrica del área considerada en función del número de pasos de peatones por unidad de tiempo. En el estudio de X. Li, se examina y analiza la aplicación potencial de un recolector de energía piezoeléctrico comercial en un edificio central de la Universidad Macquarie en Sídney, Australia. Se presenta la optimización del despliegue de losetas piezoeléctricas de acuerdo a la frecuencia de la movilidad peatonal y se desarrolla un modelo donde el 3.1% de la superficie total de piso con mayor movilidad peatonal está pavimentada con losetas piezoeléctricas. Los resultados del modelo indican que el potencial anual total de recolección de energía para el modelo de pavimento de baldosas optimizado propuesto se estima en 1,1 MW h/año, lo que sería suficiente para satisfacer cerca del 0,5 % de las necesidades energéticas anuales del edificio. En Israel, hay una empresa que ha instalado materiales piezoeléctricos debajo de una carretera muy transitada. La energía generada es adecuada y alimenta el alumbrado público, las vallas publicitarias y los letreros.

La empresa de neumáticos Goodyear tiene planes para desarrollar un neumático que genere electricidad y que tenga material piezoeléctrico revestido en su interior. A medida que el neumático se mueve, se deforma y, por lo tanto, se genera electricidad.

La eficiencia de una celda fotovoltaica híbrida que contiene materiales piezoeléctricos puede incrementarse simplemente colocándola cerca de una fuente de ruido o vibración ambiental. El efecto se demostró con células orgánicas utilizando nanotubos de óxido de zinc. La electricidad generada por el propio efecto piezoeléctrico es un porcentaje insignificante de la producción total. Los niveles de sonido tan bajos como 75 decibeles mejoraron la eficiencia hasta en un 50%. La eficiencia alcanzó su punto máximo a 10 kHz, la frecuencia de resonancia de los nanotubos. El campo eléctrico creado por los nanotubos en vibración interactúa con los electrones que migran desde la capa de polímero orgánico. Este proceso disminuye la probabilidad de recombinación, en la que los electrones se energizan pero vuelven a asentarse en un hueco en lugar de migrar a la capa de ZnO que acepta electrones.