Desarrollo de dispositivos piezoeléctricos a partir de cerámicos libres de plomo

Abstract

Esta tesis explora el desarrollo y la caracterización de materiales cerámicos ferroeléctricos y piezoeléctricos libres de plomo basados en los sistemas (1-x)(Na0,5Bi0,5)TiO3–xBaTiO3 y (1−x)Ba(Zr0,2Ti0,8)O3–x(Ba0,7Ca0,3)TiO3, con un enfoque particular en su aplicación para el almacenamiento y recolección de energía. A lo largo del trabajo, se examinan diversas composiciones y se comparan metodologías de incorporación de aditivos para optimizar sus propiedades. En particular, se obtuvieron cerámicos piezoeléctricos pertenecientes a los sistemas 0,95(Na0,5Bi0,5)TiO3– 0,05BaTiO3 (BNT-5BT) y 0,5Ba(Zr0,2Ti0,8)O3-0,5(Ba0,7Ca0,3)TiO3 (BZT-5BCT) para la generación y acumulación de energía, analizando tanto la influencia de diferentes aditivos (CuO, Nb2O5 y ZrO2), como el efecto de la morfología (disco o placa) de los elementos piezoeléctricos. En la síntesis de las fases deseadas se empleó el método de reacción en estado sólido, con una etapa de activación mecanoquímica de los reactivos, y las muestras sinterizadas se caracterizaron estructural y microestructuralmente. También se evaluaron las propiedades dieléctricas y ferroeléctricas junto con una implementación numérica y experimental del sistema de generación de energía. En el primer capítulo se discuten los principios fundamentales de los materiales ferroeléctricos, centrándose especialmente en los materiales relaxores y su transición de fase difusa de un estado ferroeléctrico a uno de relaxor. Se resalta la importancia del borde de fase morfotrópico, en las propiedades eléctricas y ferroeléctricas de estos materiales. El estudio de estos conceptos resulta de gran utilidad para el entendimiento y evaluación de los diferentes resultados obtenidos en este trabajo. Luego, en el segundo capítulo, se detalla la metodología experimental empleada para la obtención de los diferentes sistemas cerámicos, así como la determinación de las temperaturas de calcinación y sinterización. También se describen las técnicas de caracterización empleadas en el desarrollo de esta investigación. En el tercer capítulo se presentan los resultados relacionados con la obtención y evaluación de los sistemas base BNT-5BT y BZT-5BCT. Se discuten las condiciones óptimas de procesamiento, como las temperaturas de calcinación y sinterización, y se caracterizan las propiedades estructurales, microestructurales y eléctricas de estos materiales. La evaluación incluye la determinación de la densidad, la microestructura mediante. Esta tesis explora el desarrollo y la caracterización de materiales cerámicos ferroeléctricos y piezoeléctricos libres de plomo basados en los sistemas (1-x)(Na0,5Bi0,5)TiO3–xBaTiO3 y (1−x)Ba(Zr0,2Ti0,8)O3–x(Ba0,7Ca0,3)TiO3, con un enfoque particular en su aplicación para el almacenamiento y recolección de energía. A lo largo del trabajo, se examinan diversas composiciones y se comparan metodologías de incorporación de aditivos para optimizar sus propiedades. En particular, se obtuvieron cerámicos piezoeléctricos pertenecientes a los sistemas 0,95(Na0,5Bi0,5)TiO3–0,05BaTiO3 (BNT-5BT) y 0,5Ba(Zr0,2Ti0,8)O3-0,5(Ba0,7Ca0,3)TiO3 (BZT-5BCT) para la generación y acumulación de energía, analizando tanto la influencia de diferentes aditivos (CuO, Nb2O5 y ZrO2), como el efecto de la morfología (disco o placa) de los elementos piezoeléctricos. En la síntesis de las fases deseadas se empleó el método de reacción en estado sólido, con una etapa de activación mecanoquímica de los reactivos, y las muestras sinterizadas se caracterizaron estructural y microestructuralmente. También se evaluaron las propiedades dieléctricas y ferroeléctricas junto con una implementación numérica y experimental del sistema de generación de energía. En el primer capítulo se discuten los principios fundamentales de los materiales ferroeléctricos, centrándose especialmente en los materiales relaxores y su transición de fase difusa de un estado ferroeléctrico a uno de relaxor. Se resalta la importancia del borde de fase morfotrópico, en las propiedades eléctricas y ferroeléctricas de estos materiales. El estudio de estos conceptos resulta de gran utilidad para el entendimiento y evaluación de los diferentes resultados obtenidos en este trabajo. Luego, en el segundo capítulo, se detalla la metodología experimental empleada para la obtención de los diferentes sistemas cerámicos, así como la determinación de las temperaturas de calcinación y sinterización. También se describen las técnicas de caracterización empleadas en el desarrollo de esta investigación. En el tercer capítulo se presentan los resultados relacionados con la obtención y evaluación de los sistemas base BNT-5BT y BZT-5BCT. Se discuten las condiciones óptimas de procesamiento, como las temperaturas de calcinación y sinterización, y se caracterizan las propiedades estructurales, microestructurales y eléctricas de estos materiales. La evaluación incluye la determinación de la densidad, la microestructura mediante microscopía, la estructura cristalina mediante difracción de rayos X y espectroscopía Raman, y las propiedades piezoeléctricas y dieléctricas. El cuarto capítulo se enfoca en el análisis de los cerámicos piezoeléctricos para aplicaciones de almacenamiento de energía. Se estudia el sistema BNT-5BT dopado con niobio (BNT-5BT-xNb), evaluando su eficiencia energética y sus propiedades piezoeléctricas. Así, se determinó que la adición de Nb2O5 incrementó el comportamiento relaxor donde los bajos valores de polarización remante y campo coercitivo demostraron el potencial de estas cerámicas para el almacenamiento de energía. También se caracteriza el sistema BNT-5BT-BZT-5BCT obtenido mediante métodos directo e indirecto, comparando sus propiedades y destacando las diferencias en la eficiencia energética y la estructura relaxora resultante de cada método de síntesis. Aunque ambos métodos producen materiales con propiedades similares, el método directo destaca por lograr temperaturas de transición ligeramente menores y una mayor eficiencia energética, lo cual sugiere un mayor potencial para optimizar las propiedades de acumulación de energía. Este efecto se relaciona con una mejora en el ingreso y distribución de elementos. El capítulo cinco contempla la investigación de diferentes sistemas dopados, incluyendo BNT-5BT-xCu, BNT-5BT-xZr y BNT-5BT-2Zr1Cu, y se evalúan sus propiedades para la recolección de energía. Se analiza cómo la adición de dopantes afecta la microestructura y las propiedades piezoeléctricas de los materiales. La adición de CuO permitió reducir las temperaturas de sinterización en aproximadamente 100 °C, a la vez que se potenció las características de estas cerámicas para la generación de energía. Estas propiedades de generación también fueron mejoradas mediante la adición de ZrO2 a través de dos metodologías de adición diferentes (en exceso o sustitucional). Además, se estudia el efecto de la geometría de las muestras sobre su capacidad de recolección y generación de energía. La evaluación incluye pruebas mediante arreglos de piezoeléctricos apilados (piezostack) y se presentan conclusiones parciales donde se recalca la mejora en la capacidad de generación por el apilamiento de los discos. En el capítulo final se resumen las principales conclusiones de la tesis, destacando los logros alcanzados en el desarrollo de materiales piezoeléctricos libres de plomo y su potencial para aplicaciones en almacenamiento y recolección de energía. Se discuten las implicaciones de los resultados obtenidos y se proponen futuras líneas de investigación para mejorar aún más las propiedades y aplicaciones de estos materiales innovadores.