UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁCAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ

FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

Marabá – PA2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁCAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ

FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

Trabalho apresentado ao Prof. Msc. Luis Fernando como forma de avaliação da disciplina de Materiais Metálicos, do 5º semestre do curso Engenharia dos Materiais.

Discentes: Adielson Rafael MarinhoJoão Henrique AssunçãoLeonardo Vilarinho Jr.Pryscila AlbuquerqueTorben Ulisses da Silva

Marabá – PA2013

1. INTRODUÇÃO

Com os avanços tecnológicos atuais, podemos desenvolver vários

materiais úteis ao dia a dia, dentre os quais, alguns podem ser muito importantes na

geração de energia limpa e sustentável. Dessa forma, com todo um contexto sócio-

ambiental presente, pesquisas nessa área se tornaram essenciais e cada vez mais,

materiais com essas características vêm sendo desenvolvidos e aplicados. Dentre

esses, um grupo especial de materiais, com uma propriedade muito interessante, já

são usados há algum tempo e estudos para novas utilizações acontecem

atualmente. Refere-se aos materiais com a propriedade piezoelétrica.

A grosso modo, piezoeletricidadeé a capacidade de

alguns materiaisgerarem tensão elétricapor resposta a uma pressão mecânica. O

termo “piezo" é derivado da palavra grega que significa pressão. Assim como a

geração de uma tensão por uma deformação mecânica é possível, o efeito reverso

também pode acontecer, com a ocorrência de uma deformação mecânica em função

da aplicação de tensão elétrica.

As aplicações dos materiais com propriedades piezoelétricas são

variadas, indo desde sensores para estacionamento, passando por telas touche

screnn de dispositivos móveis, até transdutores ultrassonicos empregados em

sistemas de radar e sonar, além de novas aplicações que vem sendo desenvolvidas

com a utilização de nanotecnologia e a busca por formas sustentáveis de se

aproveitar e maximizar a energia que pode ser gerada pelos piezoelétricos.

Desta forma, torna-se muito importante o estudo desses materiais e seu

comportamento nas mais variadas aplicações. Portanto, este trabalho visa explanar

sobre os piezoelétricos e sua utilidade no nosso dia a dia e importancia para a

ciencia, bem como fundamentação teórica desse fenômeno.

2. O EFEITO PIEZOELÉTRICO E SEU FUNCIONAMENTO

Em 1880, Jacques e Pierre Curie descobriram que um potencial elétrico

poderia ser gerado aplicando-se pressão a cristais de quartzo, a sais de Rochelle, e

até a cristais de cana de açucar. Nomearam este fenômeno de “o efeito piezo"

(Katzir 2003).

Segundo Callister (2008), em um material piezoelétrico, a polarização é

induzida e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação

de forças externas.

A piezoeletricidade inversa foi deduzida matematicamente dos princípios

fundamentais da termodinâmica por Lippmann em 1881. Os Curies confirmaram

imediatamente a existência do “efeito piezo inverso" (quando expostos a

determinados potenciais elétricos, tais materiais mudavam sua forma, se expandindo

ou se contraindo),e continuaram os estudos para obter a prova quantitativa da

reversibilidade completadas deformações eletro-elasto-mecânicas em cristais

piezoelétricos.

A figura 01 (a) ilustra o comportamento piezoelétrico, onde a aplicação de

uma tensão produz uma diferença de potencial elétrico mensurável através do

material piezoelétrico. Já a figura 01 (b) ilustra o efeito piezoelétrico reverso, no qual

uma diferença de potencial elétrico muda a magnitude da polarização no material

piezoelétrico e, consequentemente, sua espessura.

Figura 01: (a) efeito piezoelétrico. (b) efeito piezoelétrico reverso. (De Shackelford, James F. Introduction to materials science for engineers, 6ª Ed, p.363)

A piezoeletricidade está baseada na formação de forte dipolo entre íons

de cargas contrárias na estrutura cristalina de um cristal iônico. A cristalografia prevê

a definição da simetria de um cristal iônico em função de um ponto, eixo ou plano

(ou combinação desses). A partir desses elementos de simetria, todos os cristais

são divididos em 32 grupos diferentes, sendo que 21 destes 32 grupos não possuem

um centro de simetria (condição necessária para existir piezoeletricidade) e 20 deles

são piezoelétricos.

A orientação cristalina aleatória faz com que materiais piezoelétricos não

estejam naturalmente ativos. É necessário polarizar os cristalitos piezoelétricos e

isto só é possível através de técnicas que proporcionem uma orientação preferencial

da estrutura cristalina durante o processo de fabricação. Um método simples, porém

bastante empregado para a orientação de domínios é o processo ‘poling’, que será

visto na unidade 4.5.

Em um cristal piezoelétrico, as cargas positivas e negativas estão

separadas, mas simetricamente distribuídas, o que o torna eletricamente neutro.

Quando um stress mecânico é aplicado, esta simetria é perturbada, e a carga

elétrica causada por esta assimetria gera uma tensão por todo o material. Um cubo

de quartzo de 1cm3, com 2kN de força aplicada, pode gerar uma tensão de

aproximadamente 12500 V.

2.1 Constantes Piezoelétrica

Para selecionar um material piezelétrico para aplicações tecnológicas

procura-se, em geral, se conhecer algumas de suas propriedades, entre elas

podemos destacar:

a) Constante de carga piezoelétrica d (m / V ou C / N)

Informa qual é a proporção entre a variação dimensional (∆l) do material

piezoelétrico (em metros) e a diferença de potencial aplicada (em Volts), e entre a

geração de cargas elétricas (em Coulomb) e a força aplicada no material (em

Newton). Essa informação é usada principalmente em projetos de posicionadores

piezoelétricos e sensores de força/deformação.

b) Constante de tensão piezoelétrica g (V.m / N)

Informa qual é a proporção entre a diferença de potencial gerada (em

Volts) e a força aplicada (em Newton) para o comprimento de 1 metro. Essa

informação é usada no projeto de detonadores de impacto e “magic clicks” (produz

uma centelha elétrica que acende a chama de um fogão).

c) Coeficiente de acoplamento k (Adimensional)

Eficiência do material na transdução / conversão de energia elétrica em

mecânica e vice versa. Essa informação é indispensável no controle de qualidade

das cerâmicas piezoelétricas e no projeto de dispositivos em que não se deseja a

conversão cruzada de energia, ou seja, que uma vibração ou deformação em um

eixo não gere cargas elétricas ou diferença de potencial em outro eixo. Neste caso,

quanto menor o respectivo fator de acoplamento melhor.

d) Fator de qualidade mecânico Q (Adimensional)

É uma medida das perdas mecânicas (amortecimento) do material. Usado

no projeto de dispositivos dinâmicos de alta potência.

e) Temperatura de Curie TC (°C)

É a temperatura na qual a estrutura cristalina do material sofre uma

transição de fase e o mesmo deixa de apresentar propriedades piezoelétricas.

Depois de ultrapassada esta temperatura, o material perde a polarização

remanescente induzida tornando-se inútil para a utilização como elemento transdutor

de energia elétrica em mecânica. Essa informação é indispensável no projeto de

dispositivos que deverão operar em altas temperaturas e de alta potência.

3. APLICAÇÕES DE MATERIAIS PÍEZOELÉTRICOS

O termo “piezoelétrico”, apesar de já conhecido desde o início do século

passado, somente veio ganhar notoriedade a partir de 2008, quando boates

londrinas passaram a utilizar cristais piezoelétricos nos pisos, para que, os

freqüentadores, ao pular e dançar, exercessem involuntariamente uma pressão

mecânica sobre a superfície, fazendo com que lâmpadas LED’s fossem ativadas

pela tensão elétrica gerada, iluminando de várias cores o piso vidrado.

Mas foi ainda na I Guerra Mundial, em 1917, que o efeito piezoelétrico

teve sua primeira utilidade em grande escala, sendo aplicado nos sonares que

equipavam navios e submarinos, através de transdutores piezoelétricos.

Posteriormente, o interesse por esses materiais aumentou e diversas pesquisas

foram iniciadas, resultando em grande avanço nesse campo. Já na II Guerra

Mundial, os materiais com efeito piezoelétrico foram utilizados nos transmissores de

comunicação de aeronaves e, com término do armistício, deu-se um verdadeiro

“boom” em pesquisas para novas aplicações dos piezoelétricos, resultando em suas

utilizações nos primeiros tipos de controles remoto, na indústria automotiva, em

equipamentos de medicina, nas telecomunicações e nas mais variadas áreas.

A seguir, falaremos mais um pouco sobre algumas das principais

aplicações para materiais piezoelétricos.

3.1 Transdutores Piezoelétricos

Transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra

forma de energia. Na maioria dos casos, consiste em converter energia elétrica num

deslocamento mecânico ou converter alguma grandeza física não elétrica tal como

som, temperatura, pressão, velocidade ou luz, numa grandeza elétrica. Com o

recurso a transdutores podemos utilizar instrumentação eletrônica para medir,

modificar e melhorar o atual estado tecnológico das aplicações industriais. Por

exemplo, hoje em dia existem já transdutores integrados de temperatura com

sensibilidades da ordem dos 10 a 200 mV por grau centígrado, extremamente

lineares. Existem também transistores de efeito de campo sensíveis a diferentes

íons, utilizados na medida de potenciais bioeletrônicos. Os transdutores são também

hoje muito utilizados em telemetria (transmissão de informação quantificada à

distância).As funções de um transdutor são: ser sensível à presença, magnitude e

variação de um dado mensurado; proporcionar a saída de um sinal elétrico a ser lido

por um leitor.

Devido às propriedades piezoelétricas, os transdutores que atuam com

esses materiais são capazes, então, de converter energia mecânica em energia

elétrica e, a partir do efeito piezoelétrico reverso, realizar a operação contrária. A

partir disso, podemos dividir os transdutores piezoelétricos em aplicações de forma

passiva (sensores) e ativa (atuador). Havendo também um caso especial em que o

transdutor pode atuar das duas formas: os transdutores ultrassônicos.

3.1.1 Sensores Piezoelétricos

Na forma passiva, o transdutor só recebe sinais. Aqui a propriedade

piezoelétrica direta do material é explorada de forma a obter uma voltagem a partir

de uma tensão mecânica externa. Para utilizar o princípio físico de materiais

piezoelétricos, com o objetivo de torná-loum sensor de força, deve-se poder medir a

carga elétrica na superfície do cristal (Putnam & Knapp 1996). Para isto, duas placas

de metal são utilizadas nas extremidadesopostas do mesmo, tornando-o um

capacitor. Na suaregião de operação, quanto maior a força de deformação aplicada

no cristal, maior acarga elétrica na sua superfície. Esta carga resulta em uma tensão

de q=C, onde q é a carga resultante de uma força F, e C é a capacitância do

componente.

Figura 02: Duas placas de metal em contato com o material piezoelétrico. (Obtida do site do Centro de Pesquisa Computacional em Música e Acústica da Universidade de Stanford: http://ccrma.stanford.edu/CCRMA/Courses/252/sensors/node7.html)

Pelo método descrito acima, os cristais piezoelétricos agem como

transdutores quetransformam força ou stress mecânico em carga elétrica que pode

ser convertida emtensão. Alternativamente, o inverso também ocorre. Um exemplo

deste fato é quetransdutores piezoelétricos podem ser encontrados em alto-falantes

(eletricidade para mecânica).Em instrumentos musicais elétricos e microfones, as

vibrações mecânicas dinâmicas (das cordas ou da voz) são transformadas em sinais

elétricos (voltagem alternada) que são então amplificados e convertidos em som

através de amplificadores. As balanças eletrônicas encontradas em supermercados

ou aquelas muito precisas usadas em laboratórios de pesquisa têm seu

funcionamento baseado na piezeletricidade, pois utilizam cristais que se polarizam

ao sofrerem umadeformação. Podemos ainda citar como outros exemplos:

hidrofones, extensômetros, pick-ups de DJ's, ignitores de gás e sensores

vibracionais.

3.1.2 Atuadores Piezoelétricos

No modo ativo, o transdutor, usando a propriedade piezoelétrica inversa

dos materiais, recebe um sinal elétrico e muda suas dimensões, enviando um sinal

mecânico para o meio. O mesmo princípio também é usado no mapeamento de

trincas em ensaios não destrutivos de materiais. Suas aplicações incluem: sonares,

micro-bombas (empregadas em impressoras jato de tinta e micro-pipetas) e micro-

posicionadores (eletrônica).

3.1.3 Transdutores ultrassônicos

Materiais piezoelétricos são utilizados como transdutores ultrassônicos

para aplicações de produção de imagens (para medicina, para testes industriais não-

destrutivos, etc) e para aplicações de alta potência (tratamentos médicos, processos

industriais, etc). Para a produção de imagens, o transdutor age tanto como um

sensor como um atuador. Transdutores ultrassônicos podem injetar ondas

ultrassônicas em um corpo, receber a onda de retorno e converter em um sinal

elétrico (voltagem). A maioria dos transdutores médicos de ultrassom são

piezoelétricos.

Quando vários elementos são empilhados um sobre o outro e no final

uma lâmina é colocada, pode-se controlar o cristal e com o deslocamento obtido,

terá um cortador ultrassônico. Este tipo de ferramenta é útil no corte preciso de

materiais plásticos ou similares, já que materiais leves não são afetados pela

vibração ultrassônica.

3.2 Motores Piezoelétricos

Um motor piezoelétrico ou piezo motor é um tipo de motor elétrico

baseado na mudança da forma de um dado material piezoelétrico quando um campo

elétrico é aplicado. Motores piezoelétricos fazem uso da piezoeletricidade inversa,

onde o material produz vibrações acústicas ou ultrassônicas para gerar movimentos

lineares ou rotacionais. Em um mecanismo deste tipo, o alongamento em um único

plano do material é utilizado para gerar uma série de expansões, manutenções de

posicionamento e contrações.

A grande vantagem da utilização de um motor piezoelétrico é a sua

extrema precisão (da ordem de nanômetros) e relativa alta velocidade, que é

possível graças à sua alta taxa de resposta, assim como a rápida distorção do cristal

piezoelétrico, o que permite que os passos sejam realizados a freqüências bastante

elevadas (acima de 5 MHz). Este fato gera uma velocidade linear máxima de 800

mm por segundo, ou aproximadamente 2.9 km por hora.

3.3 Outras aplicações

Músculos de metal para robôs miniaturizados ou para pequenas próteses.

Esta é uma das visões que poderão se tornar realidade graças a uma descoberta

feita por um laboratório alemão. Os cientistas criaram um novo material metálico, à

base de platina, mas com nanoporos. O novo material se expande e se contrai sob

a ação de uma corrente elétrica. Desta forma, o material converte diretamente

energia elétrica em mecânica e vice-versa.

O novo material agora desenvolvido, além de poder custar mais barato,

trabalha com voltagens mais baixas. É a primeira vez que alterações macroscópicas

de comprimento, visíveis e mensuráveis, foram observadas em um material

metálico, com tão baixa corrente.

A conversão direta de eletricidade em energia mecânica pode ser

utilizada para a criação de "músculos metálicos" que darão movimento a pequenos

robôs ou mesmo a próteses humanas. Mas as aplicações possíveis do material

passam ainda por válvulas microscópicas, ótica adaptativa e materiais inteligentes

capazes de alterar seu formato conforme a necessidade. O efeito de transdução

pode ser utilizado, por exemplo, em sensores que disparam o "air-bag" dos

automóveis. A platina nanoparticulada foi produzida a partir da evaporação de

platina pura em um ambiente fechado com gás nobre. Ao condensar-se, a platina

forma partículas de menos do que 5 nanômetros de tamanho. Estas partículas foram

então compactadas, formando um bloco poroso. Este bloco sólido foi mergulhado

em um eletrólito, um fluido condutivo, que preencheu as cavidades. Quando o bloco

é submetido a uma corrente elétrica, o fluido condutivo encarrega-se de fazer a

eletricidade chegar a cada nanopartícula do sólido. A corrente elétrica altera as

cargas do eletrólito. Como resultado, cargas elétricas são também induzidas nas

superfícies das nanopartículas, alterando o número de elétrons dos átomos dessas

nanopartículas, o que altera sua identidade química. A grande novidade consiste no

fato de que, ao se utilizar um metal, a carga induzida não é espalhada sobre uma

ampla área como no caso dos semicondutores.

A piezeletricidade em fibras têxteis revestidas de ZnO têm mostrado

capaz de fabricar "nano sistemas auto-alimentados" com estresse mecânico do

vento ou os movimentos do corpo. Em 2008, o Centro para a Caracterização da

Nanoestrutura no Instituto de Tecnologia da Geórgia relatou a produção de um

dispositivo de geração de energia elétrica (chamada de gerador da bomba de

carga flexível) que entrega corrente alternada esticando e soltando nanofios de

óxido de zinco. Este mini-gerador cria uma tensão oscilante até 45 milivolts,

convertendo quase sete por cento da energia mecânica aplicada em eletricidade.

Os pesquisadores usaram fios com comprimentos de 0,2-0,3 mm e diâmetros de

3-5 micrômetros, mas o dispositivo poderia ser reduzido para um tamanho menor.

Os piezoelétricos também têm sido amplamente pesquisados para

aplicação em geração de energia limpa e sustentável. Há uma infinidade de formas

de obtenção. Pesquisas já realizaram testes com a aplicação de um filme

piezoelétrico sob camadas de asfalto em rodovias, fazendo com que a corrente

gerada pela deformação do asfalto (e do filme), aos carros passarem sobre o

mesmo, seja captada e armazenada como energia elétrica.

4. ALGUNS MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

O campo de aplicação dos materiais piezoelétricos é vasto, porém, ainda

não são muitos os materiais explorados para tal. Abaixo destacaremos 3 materiais

com propriedades piezoelétricas. O Titanato de Bário, que foi um dos primeiros

compostos piezoelétricos utilizados, mas que hoje em dia está dando lugar a outras

ligas; o Titanato Zirconato de Chumbo, que vem sendo o mais utilizado atualmente;

e o óxido de zinco, que ainda não tem muita aplicação, porém, tem capacidade para

ser muito explorado nos próximos anos.

4.1 Titanato de Bário (BaTiO3)

O titanato de bário, BaTiO3 (com fórmula genérica ABX3) apresenta uma

estrutura muito comum entre os minerais, estrutura esta de especial interesse pois é

a mesma de materiais como os ferroelétricos e os supercondutores. Possui

aparência branca de cristais translúcidos. Não é solúvel em água, somente em

ácidos concentrados.

4.1.1 Estrutura

Os "grandes" cátions azuis (de Ba ou genericamente A) e os ânions

vermelhos (o X da fórmula - freqüentemente oxigênio) formam um empacotamento

cúbico fechado, restando aos "pequenos" cátions B (de Ti neste exemplo) posições

nos espaços octaédricos entre os ânions como pode ser visto na figura 03 (a). A

estabilidade da estrutura depende dos raios iônicos relativos: se os cátions são

muito pequenos para o empacotamento compacto com os ânions de oxigênio, eles

podem ser levemente deslocados. Considerando que estes íons têm carga elétrica,

tais deslocamentos podem levar a um momento de dipolo elétrico (cargas opostas

separadas por uma pequena distância).

4.1.2 Obtenção

No estado sólido o Titanato de Bário possui cinco fases, de acordo com

sua temperatura: hexagonal, cúbica, tetragonal, ortorrômbica e romboédrica.

Estruturas cristalinas ordenadas respectivamente às temperaturas decrescentes.

Pode ser obtido através da sinterização em fase líquida do carbonato de bário e

dióxido de titânio, sendo muitas vezes misturado com o titanato de estrôncio.

Figura 03: estrutura do titanato de bário (a). Célula unitária PZT do tipo Perovskite no estado cúbico simétrico acima da temperatura de Curie (antes da aplicação do campo elétrico) (b).

4.2 PZT (Titanato Zirconato de Chumbo)

 É um composto inorgânico também chamado PZT, sendo um material

cristalino de estrutura tipo ABO3 que apresenta um acentuado efeito piezoeléctrico.

Trata-se de um sólido branco, que é insolúvel em todos os solventes.

4.2.1 Estrutura 

Com a fórmula química Pb [ Zr x Ti 1 - x] O 3 0 ≤ x ≤ 1) com fórmula

característica da perovskita que pode ser interpretada como uma combinação da

estrutura cubica simples (CS), com cúbica de corpo centrado (CCC) e a cúbica de

face centrada (CFC), mas em uma análise cuidadosa, verifica-se que diferentes

átomos ocupam as posições dos vértices (A), do centro (B) e das faces (O-²). Como

resultado, a estrutura da perovskita é um exemplo da rede cúbica de Bravais, com 5

íons (1 A, 1 B e 3O) por célula unitária, de acordo com a figura 03 (b)

4.2.2 Propriedades Mecânicas e ensaios realizados

O material cerâmico PZT (Titanato Zirconato de Chumbo) pode suportar pressões de

até 250 MPa (250 x 106 N/m2) sem quebrar. Porém, não se deve, de modo algum,

utilizar valores de pressão próximos a este em aplicações práticas, já que a

despolarização ocorre a pressões na ordem de 20 a 30% deste limite mecânico.

Para atuadores de empilhamento e estágios (combinações de viários materiais),

limitações extras se aplicam como as saliências e as interações entre as

interfaces.Os dados de capacidade de carga de um atuador, para aplicações

praticas, devem ser suficientemente conservativos para a garantia de uma longa

vida útil do mesmo.As cargas de tração de atuadores piezoelétricos não pré-

carregados são limitadas de 5 a 10% do limite de carga compressiva. Existem

diversos atuadores piezoelétricos com uma mola de pré-carga interna para aumentar

sua capacidade de tração, o que é bastante recomendado para aplicações

dinâmicas. A cerâmica PZT é especialmente sensívelà forças de rotação. Elas

devem ser compensadas por medidas externas.

4.2.3 Obtenção

O PZT pode ser obtida através de diversos processos de síntese que

diferem pela natureza dos precursores utilizado. No entanto a metodologia de

mistura dos óxidos é a mais barata e industrialmente utilizada, processos químicos

também são empregados como o método sol-gel, coprecipitação e Pechini, estes

processos químicos diminuem a energia necessária para formação da fase cristalina

do PZT.

4.3 Óxido de Zinco – ZnO

O óxido de zinco é um composto inorgânico com a fórmula ZnO. Ele

geralmente aparece como um pó branco, praticamente insolúvel em água. O  ZnO

está presente na crosta terrestre como o mineral “zincite”, no entanto, a maior

parte do ZnO utilizado comercialmente, é produzida sinteticamente.

4.3.1 Estrutura

O óxido de zinco se cristaliza em três formas: wurtzita hexagonal,

“zincblende” cúbico, e o sal de rocha, raramente observado. A estrutura wurtzita é

mais estável em condições ambiente e, portanto, mais comum. A forma zincblende

pode ser estabilizada pelo crescimento de ZnO sobre substratos, com uma

estrutura de treliça cúbica, que resultam em piezeletricidade do ZnO hexagonal.

Em ambos os casos, os centros de zinco e óxido são tetraédricos. A estrutura de

sal de rocha (tipo NaCl) é observada apenas em pressões relativamente altas de

cerca de 10 GPa.

A ligação em ZnO é largamente iônica, o que explica a sua forte

piezeletricidade. Devido às ligações polares Zn-S, os níveis de zinco e oxigênio

suportam cargas elétricas (positivas e negativas, respectivamente). Portanto, para

manter a neutralidade elétrica, tais níveis são reconstruídos  em nível atômico, na

maioria dos materiais relativos, mas não no ZnO - as suas superfícies são

atomicamente planas, estáveis e não apresentam nenhuma reconstrução. Esta

anomalia do ZnO não está totalmente esclarecida.

4.3.2 Propriedades mecânicas

O ZnO é um material relativamente macio, com dureza aproximada de

4,5 na escala de Mohs. Suas constantes elásticas são menores que as dos

semicondutores III-V relevantes, tais como GaN. A capacidade de calor elevado e

condutividade térmica, baixa expansão térmica e alta temperatura de derretimento

de ZnO são benéficos para a cerâmica.

Entre os semicondutores tetraedricamente forçados, foi afirmado que o

ZnO tem o maior tensor piezelétrico ou pelo menos comparável à de GaN e AlN.

Esta propriedade faz com que seja um material tecnologicamente importante para

muitas aplicações piezelétricas, que exigem um grande acoplamento

eletromecânico.

4.3.3 Obtenção

Para o uso industrial, o ZnO é produzido em níveis de 105 toneladas

por ano, por três processos principais:

Processo indireto (Francês): o zinco metálico é fundido em um

cadinho de grafite e vaporizado em temperaturas acima de 907 ° C (geralmente

em torno de 1000 ° C). Os vapores de zinco reagem instantaneamente com o

oxigênio do ar para dar ZnO, acompanhados por uma queda em sua temperatura

e luminosidade intensa. Partículas de óxido de zinco são transportadas para um

duto de refrigeração e recolhidos em um saco. Seu produto é normalmente

constituído por partículas de óxido de zinco aglomerados com tamanho médio de

0,1 a alguns micrômetros.

Processo direto (Americano): no processo direto, o material inicial é

de vários compostos de zinco contaminados, como os minérios de zinco ou de

fundição de subprodutos. Ele é reduzido por aquecimento com aditivo de carbono

(antracita, por exemplo) para produzir vapor de zinco, que é então oxidado como

no processo indireto. Devido à menor pureza do material de origem, o produto

final também é de qualidade inferior no processo direto, em comparação com o

indireto.

Processo químico, úmido: os processos químicos úmidos começaram

com soluções purificadas de zinco, a partir dos quais o carbonato de zinco ou

hidróxido de zinco é precipitado. Em seguida, é filtrado, lavado, secado e

calcinado em temperaturas: ~ 800 ° C.

O óxido de zinco em pó branco comum pode ser produzido em

laboratório por eletrólise de uma solução de bicarbonato de sódio com um ânodo

de zinco. Hidróxido de zinco e gás hidrogênio são produzidos. O hidróxido de

zinco sob aquecimento se decompõe em óxido de zinco.

4.4 Propriedades mecânicas de materiais Piezoelétricos

Cerâmicas ferroelétricas e, particularmente, algumas das piezoelétricas,

são elementos estruturais que precisam resistir razoavelmente a altos níveis de

tensão nas suas condições de uso.

De qualquer forma, é sempre preferível utilizar materiais ferroelétricos

(como para a maioria das cerâmicas) em esforços de compressão do que em tensão

(o esforço de tensão se torna então, um fator limitante). Dessa forma, é exigida boa

resistência mecânica para esses materiais, porém, certa ductilidade é desejável para

que se possam ter os efeitos de deformação mecânica apropriados.

4.5 Polarização – Tratamento pós-produção

O principal tratamento dado aos materiais piezoelétricos é a polarização.

A polarização (“poling") do material piezoelétrico consiste no seu

aquecimento até que haja a superação da sua temperatura de Curie,

fazendo com que a estrutura do seu cristal se torne centro-simétrica e

todos os dipolos desapareçam. Então é aplicado um campo elétrico de

intensidade elevada. Assim, a estrutura do cristal é deformada e se forma

uma polarização no sentido indicado na figura abaixo. Posteriormente, o

material é resfriado ainda na presença deste campo elétrico. Como

consequência, os dipolos tendem a se alinhar com o campo aplicado,

dando origem a uma polarização total diferente de zero, após o

resfriamento. Finalmente, o campo elétrico é removido, concluindo o

processo. Nem todos os dipolos conseguem retornar à sua orientação de

origem (fenômeno da histerese), o que resulta em uma polarização

remanescente através do material, assim como uma deformação

permanente. A polarização é resumida de acordo com a figura 04.

Figura 04: Orientação dos domínios durante a realização da polarização (GmbH & KG, 2006)

5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

Como vantagens notáveis dos materiais piezoelétricos podemos destacar:

Podem ser utilizados para produção de energia a baixo custo, limpa e

sustentável;

É um campo vasto para pesquisas e conseqüente desenvolvimento de novos

materiais;

Podem ser implementados em diversas atividades mecânicas para a geração

de energia;

Como desvantagens, os piezoelétricos apresentam algumas limitações,

abaixo, sendo a temperatura e suas variações as principais protagonistas destas

limitações.

: a) Envelhecimento natural (e acelerado pelas condições de uso): Com o passar do

tempo, a polarização remanescente induzida durante o processo de fabricação das

cerâmicas esvaece naturalmente, independentemente da ação de agentes externos

ou do uso do material.

b) Instabilidade das propriedades em função de variações de temperatura: Em

eletrônica, estamos habituados a observar a mudança de propriedades e

comportamento em todos os tipos de componentes, desde os resistores, que

apresentam resistência maior quando aquecidos, aos semicondutores, que

conduzem melhor aquecidos. No caso das cerâmicas, estas alterações também

acontecem, porém, com maior intensidade e de forma imprevisível, devido à

complexidade dos mecanismos envolvidos no efeito piezoelétrico.

c) Limites de excitação elétricos e mecânicos: As cerâmicas piezoelétricas são

materiais frágeis poucos resistentes à tração, sendo importante observar os limites

de cada material para evitar quebras.

No caso específico do PZT, há uma preocupação em relação ao chumbo,

que é um metal pesado tóxico e, por conta disso, muitos órgãos reguladores

europeus estão proibindo sua aplicação em componentes eletrônicos.

6. CONCLUSÃO

Apesar de poucos materiais piezoelétricos conhecidos, principalmente na

área de materiais metálicos (Ligas), pode-se perceber a grande importância e a

diversa aplicabilidade destes materiais.

Sem falar que o estudo dos materiais piezoelétricos está ligado diretamente

às inovações tecnológicas de grande valor, melhorando a exploração e o

conhecimento de informações dos quais sem o mesmo não seria possível detectar.

Pode-se, encontrar materiais piezoelétricos na indústria automobilística,

aeronáutica, naval, de eletro-eletrônicos, médica etc.

Portanto, tornam-se de muita importância os estudos dos materiais

piezoelétricos, por se tratarem de materiais que podem representar um campo de

atuação com futuro promissor para os engenheiros de materiais.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

- Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. 7ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2008

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