Desarrollo de materiales piezoeléctricos libres de plomo basados en cerámicos de (K,Na)NbO3

Abstract

En respuesta a la creciente preocupación que hoy en día existe en la comunidad científica por el uso de materiales tóxicos para el desarrollo de equipos eléctricos y electrónicos, se ha estado trabajando en la búsqueda de materiales inocuos que sean competitivos en sus propiedades funcionales y que logren sustituir en un futuro cercano a aquellos que resultan nocivos. La familia de los materiales piezoeléctricos no escapa a esta problemática dado que aquellos que presentan las mejores propiedades para las distintas aplicaciones corresponden a los basados en plomo, como el PZT (Pb(Zr,Ti)O3 ). Una alternativa que se ha estudiado, dentro del grupo de piezoeléctricos libres de plomo, pertenece a aquellos materiales basados en los niobatos de sodio y potasio (K,Na)NbO3 que presentan una estructura tipo perovskita y un límite de fase morfotrópico en composiciones de K/Na:50/50, que potencia sus propiedades piezoeléctricas. Sin embargo, cuando se lo conforma y sinteriza mediante procedimientos convencionales, se obtiene un material muy poroso que deteriora sus propiedades finales. Por esta razón, se ha trabajado en distintas alternativas que logren densificar al material y a su vez permitan manipular sus propiedades dieléctricas y ferroeléctricas con el objetivo de “ablandarlas” o “endurecerlas” según sus aplicaciones. Dentro de las técnicas, se destacan el prensado en caliente (HP) y el sinterizado “spark plasma” (SPS) los cuales si bien han mejorado la densidad en los materiales, resultan métodos más costosos que las vías de sinterizado clásicas y, por ende, no son aplicables fácilmente para la producción a escala industrial. El agregado de dopantes donores y aceptores ha resultado una técnica muy trabajada en los piezoeléctricos basados en PZT, dado que a partir de la generación de vacancias catiónicas o de oxígeno, ha posibilitado el manejo de sus propiedades dieléctricas y piezoeléctricas. Con la motivación de maximizar la densidad y lograr un control de las propiedades piezoeléctricas, este trabajo se ha centrado en el estudio de los efectos de la adición de Ba2+ y Ca2+ como substituyentes de la posición “A” (ocupados por Na1+ y K1+), la adición de Zr+4 como substituyentes de la posición “B” (ocupada por Nb5+) y la adición de Cu2+ y ZnO como agentes de sinterizado. En todos los casos se han conformado y sinterizado las pastillas de los sistemas antes mencionados bajo las mismas condiciones de sinterizado (ciclo térmico) y se variaron las composiciones. Para cada muestra se ha determinado su densidad relativa, las fases presentes, se ha analizado su microestructura y se ha medido su respuesta dieléctrica, piezoeléctrica y ferroeléctrica. A partir de los resultados obtenidos se ha concluido en primera instancia que las mejores propiedades, en todos los casos, se encontraron para bajas concentraciones de dopantes. Por otro lado, se ha observado que estas propiedades han sido no sólo influenciadas por el efecto donor o aceptor del substituyente sino que también fueron dependientes de la aparición de fases secundarias. La incorporación de Ca2+ y Ba2+ generó vacancias catiónicas y motivó la aparición de una fase secundaria líquida. Estos dos aportes provocaron una modificación en la densidad del material y un ablandamiento de las propiedades ferroeléctricas Con la adición de ZrO2 se observó un efecto inesperado al generarse un ablandamiento en las propiedades ferroeléctricas que se vincula con un aumento en la densidad del material. El óxido de cobre y el óxido de cinc actuaron como agentes de sinterizado. Estos aditivos también presentaron un efecto substituyente que se intensificó cuando el aditivo fue agregado junto a los precursores en la etapa de formación de la fase K0,5Na0,5NbO3.