Conceitos básicos da tecnologia piezocerâmica

Princípio de funcionamento piezoelétrico, perovskite e polarização

A piezoeletricidade baseia-se na habilidade de alguns cristais para gerar uma carga elétrica quando carregada mecanicamente com pressão ou tensão, o que é denominado como o efeito piezo direto. Inversamente, esses cristais sofrem uma deformação controlada quando expostos a um campo elétrico - um comportamento referido como o efeito piezo inverso. A polaridade da carga depende da orientação do cristal relativa à direção da pressão.

Esse processo é denominado como efeito de piezo direto. Inversamente, a deformação controlada quando exposta a um campo elétrico é um comportamento referido como o efeito de piezo inverso. A polaridade da carga depende da orientação do cristal relativa à direção da pressão.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Efeito piezoelétrico direto

Inverser piezoelektrischer Effekt

Efeito piezoelétrico inverso

A estrutura perovskite

A cerâmica que possui as propriedades piezoelétricas pertencem ao grupo de materiais ferroelétricos. Os sistemas atuais são quase que exclusivamente baseados em titanato zirconato de chumbo (PZT); isto é, eles consistem em cristais mistos de zirconato de chumbo (PbZrO3) e titanato de chumbo (PbTiO3). Os componentes de piezocerâmica possuem uma estrutura policristalina contendo vários cristalitos (domínios) e cada um é composto de uma pluralidade de células elementares. As células elementares dessas cerâmicas ferroelétricas exibem a estrutura de cristal perovskite, a qual pode geralmente ser descrita pela fórmula A2+B4+O32-.

O diagrama esquemático de uma estrutura perovskite ideal, sem considerar as distorções devido à polarização espontânea abaixo da temperatura Curie. O íon de carga positiva bivalente está localizado no centro do cubo, enquanto o íon de carga positiva tetravalente forma os cantos do cubo. Os íons negativos bivalentes no centro da margem de cada cubo nessa ilustração. Quanto ao cristal misto com PZT (titanato zirconato de chumbo), a fórmula é: A: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Propriedades piezoelétricas através da polarização

Logo após a sinterização, os domínios de um corpo cerâmico (as áreas que formam as células elementares de direção bipolar uniforme) mostram uma orientação arbitrária distribuída estatisticamente, ou seja, o corpo macroscópico é isotrópico e não mostra propriedades piezoelétricas.

Cerâmica ferroelétrica antes, durante e após a polarização

Estas propriedades piezoelétricas devem ser originadas através da "polarização". Nesse processo, o corpo cerâmico é exposto a um campo elétrico CC forte que faz com que os bipolos elétricos se tornem alinhados na direção do campo. Eles mantêm essa orientação em uma grande escala mesmo após o campo CC não ser mais aplicado (polarização restante) – uma condição necessária para o comportamento piezoelétrico da cerâmica ferroelétrica.

Para obter mais informações sobre os princípios da tecnologia piezocerâmica, o comportamento dinâmico da piezocerâmica e os modelos principais dos ressonadores piezoelétricos, recomendamos nosso folheto "Cerâmica de alto desempenho nas aplicações piezo" e o suplemento "Atuadores monolíticos multicamadas – Operação e Aplicações".

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    Advanced Ceramics in Piezo Applications

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