Modelado y caracterización de cerámicas piezoeléctricas libres de plomo para su aplicación en un motor piezoeléctrico ultrasónico

Abstract

Dentro del campo de los dispositivos piezoeléctricos, los cerámicos de circonato-titanato de plomo (Pb(Zr,Ti)O3-PZT) son los más utilizados por su alta sensibilidad, confiabilidad y capacidad de operar en un amplio intervalo de temperatura. No obstante, en la actualidad existe la necesidad de buscar materiales alternativos al PZT, debido a la toxicidad generada por los elevados porcentajes de óxido de plomo que se volatizan durante el proceso de sinterización. Existe un creciente número de investigadores que se han concentrado en analizar las posibilidades de emplear materiales libres de plomo para recolectar energía a partir de vibraciones mecánicas o conformar materiales piezoeléctricos. En los últimos años, las soluciones sólidas binarias y ternarias han recibido bastante atención, principalmente por sus propiedades electromecánicas en el borde de fase morfotrópica (BFM). Saito y col. descubrieron propiedades piezoeléctricas muy elevadas en materiales basados en los sistemas de niobato de sodio y potasio (KNN) como alternativa a los cerámicos de PZT. Para ser utilizados en dispositivos piezoeléctricos, los sistemas requieren un riguroso estudio de las variables mecánicas y electromecánicas, y un elaborado diseño del sistema. Por este motivo, se realiza un análisis y optimización mediante el método de elementos finitos (MEF). Este trabajo muestra que, a través de un control estricto en la composición de la cerámica y un diseño adecuado, puede ser posible la aplicación de una cerámica piezoeléctrica libre de plomo en un motor piezoeléctrico lineal. En el primer capítulo de esta tesis se abordan conceptos teóricos acerca de los materiales ferroeléctricos y se hace referencia a la importancia de la existencia del borde de fase morfotrópico (BFM) en las propiedades ferroeléctricas del material. También, se detalla la aplicación de las cerámicas piezoeléctricas como piezo actuadores, en este caso en motores piezoeléctricos ultrasónicos, y la importancia del uso de métodos numéricos como herramienta para su diseño. Luego, en el segundo capítulo, se aborda el proceso de síntesis en estado sólido para la obtención del sistema cerámico, mostrando las temperaturas de calcinación y sinterización empleadas en este trabajo. Además, se describen las técnicas de caracterización estructural, eléctrica y ferroeléctrica. En el tercer capítulo se describe el método de elementos finitos aplicado a un material piezoeléctrico y el criterio de identificación de los parámetros necesarios para el modelado del motor piezoeléctrico propuesto. En el cuarto capítulo se analiza el sistema (K0.44Na0.52Li0.04) (Nb1-xTa0.1Sbx) O3 (KNL-N1-xTSx) y se estudia la influencia del contenido de Sb (x = 0, 0.02 y 0.04) en la estructura y las propiedades eléctricas. Así, se estudia la evolución del sistema y se determina qué composición presenta las mejores propiedades para ser utilizada en la aplicación del motor. Mientras, que el quinto capítulo, presenta el análisis numérico de una nueva configuración de un motor piezoeléctrico del tipo stick-slip utilizando el método de elementos finitos. También se comparan los resultados obtenidos en el KNL-NTS con un PZT comercial. Finalmente, el sexto capítulo muestra las conclusiones generales y el trabajo a futuro que surge a partir de este trabajo de tesis. Mail de los autores Florencia Alejandra Gibbs <florenciagibbs@gmail.com>