Materiais Piezoeléctricos e Ferroelétricos Ciências dos Materiais I

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Os materiais ferroelétricos são incluídos em um subgrupo da classe dos piezoelétricos, possuem polarização espontânea e que quando submetidos a um campo elétrico externo se polarizam na direção do campo elétrico externo. Quando o campo elétrico é retirado, eles ficam polarizados nessa direção[1,3].

A palavra piezoeletricidade vem do grego, eprovém da união de duas palavras: a palavra piezo significa pressão e a segunda eletricidade.Esse nome foi proposto por Hankel em 1881 para nomear o fenômeno descoberto pelos irmãos, Pierre e Jacques Curie. Eles observaram que cargas elétricas positivas e negativas eram geradas em várias partes da superfície de um cristal quando comprimido em diferentes direções, as quais eram previamente escolhidas de acordo com a simetria do cristal[3,4,7].

2.2 Composições e estruturas

O efeito piezoelétrico é exibido por um número de cristais naturais, como por exemplo: quartzo, turmalina e tartrate de sódio e potássio, os quais são usados como transdutores eletromecânicos. Porém o material piezoelétrico ferroelétricomais utilizado é o titanatozirconato de chumbo (PZT), tendo sua estrutura cristalina na forma de peroviskita, descrita pela fórmula A2+B4+O2-[3,4].

Sua estrutura cristalina consiste em cristais mistos de zirconato de chumbo (PbZrO3) e titanato de chumbo (PbTiO3). Esses óxidos possuem uma estrutura de inúmeros cristalitos e cada um deles é formado por uma infinidade de células elementares[3].

A figura 2 mostra a célula unitária da estrutura cristalina. Os ânions estão situados no centro das faces do cubo e o cátion tetravalente é corpo-centrado, enquanto os cátions bivalentes são localizados nos cantos do cubo. Em temperaturas acima do ponto de Curie, a estrutura cristalina será cúbica de corpo centrado[3].

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Figura 2– Estrutura Perovskita tipo PZT. Estrutura cúbica de corpo centrado (acima da Tc) à esquerda e estrutura tetragonal (abaixo daTc) à direita[9].

Em temperaturas abaixo do ponto de Curie, a estrutura sofre distorções e o centro de carga muda de posição, originando o momento de dipolo, sendo esta a polarização espontânea. No caso de PZT, a distorção pode gerar tanto uma estrutura tetragonal como uma estrutura romboédrica, dependendo da razão molar entre zircônio e titânio na composição do pó [3].

2.3 Princípios de Funcionamento

As cerâmicas do tipo PZT, por possuírem estrutura cristalina tipo Perovskita, apresentam simetria tetragonal, romboédrica ou cúbica simples, dependendo da temperaturaem que o material se encontra. Estando abaixo de uma determinada temperatura de Curie, a estrutura Perovskita apresenta a simetria tetragonal em que ocentro de simetria das cargas elétricas positivas não coincide com o centro de simetria das cargasnegativas, dando origem a um dipolo elétrico.A existência deste dipolo faz com que a estrutura cristalina se deforme na presença de um campoelétrico e gere um deslocamento elétrico quando submetida a uma deformação mecânica, o que caracteriza o efeito piezoelétrico inverso (figura 4) e direto (figura 3) respectivamente. A deformação mecânica ou a variaçãodo dipolo elétrico da estrutura cristalina da cerâmica não implica necessariamente em efeitosmacroscópicos, visto que os dipolos se arranjam em domínios, que por sua vez se distribuem aleatoriamente no material policristalino. Para que ocorram manifestações macroscópicas é necessáriauma orientação preferencial destes domínios, conhecida como polarização. Inclusive esta polarização seesvaece com o tempo e uso, inutilizando o material para a transformação de energia elétrica em mecânica[14, 15,16].

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Figura 3 – Efeito piezoelétrico direto[10].

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Figura 4 – Efeito piezoelétrico indireto[10].

2.4 Fabricação

Para a fabricação de uma cerâmica piezoelétrica é a escolha da composição desejada (incluindo dopantes) em dependência da aplicação que será dada a esta cerâmica. Após a escolha da estequiometria desejada deve-se pesquisar pelos precursores, que misturados nas proporções adequadas e reagidos, resultam na composição final. Os precursores utilizados na fabricação de cerâmicas piezoelétricas são óxidos (ou sais) comuns que podem ser encontrados facilmente na natureza, mas eles devem estar processados e com purezas superiores a 99% [4].

Depois de calculadas as quantidades de cada reagente deve-se adicionar o dopante (se for necessário). O dopante geralmente é adicionado como percentagem em peso. Uma vez bem misturados os reagentes, estes devem ser colocados em um forno para calcinar, assim ocorrea reação (em estado sólido) necessária para a formação do composto final. Depois de obtido o compósito desejado conforma-se o pó cerâmico. Para isso, os pós cerâmicos devem são colocados em moldes com formas que dependem da forma final com que se deseja obter a cerâmica (discos, cilindros, barras, etc) e submetidos a uma pressão para compactá-los nessa forma. Depois da compactação o material é sinterização[4].

Até este ponto foi explicado como pode ser fabricado um corpo cerâmico, mas para utilizar a cerâmica como um piezoelétrico precisa-se de alguns outros passos. Afrequência característica ou de ressonância de uma cerâmica piezoelétrica depende de suas dimensões, portanto, a superfície da cerâmica deve ser o mais regular possível para evitar ressonâncias espúrias que venham a interferir na aplicação da cerâmica. Para evitar isso, as cerâmicas devem ser adequadamente polidas e em alguns casos a cortes, dependendo das dimensões finais desejadas. Uma vez que os blocos cerâmicos estão devidamente cortados e polidos devem ser polarizados. Para polarizar a cerâmica, esta deve ser convertida em capacitor plano paralelo, sendo a cerâmica o dielétrico no interior do capacitor. Para isso, devem ser depositados eletrodos em duas fases opostas, dependendo da direção em que se deseja polarizar a cerâmica. Existem várias técnicas para a deposição de eletrodos em materiais, mas a que mais se utiliza comercialmente é a deposição de tinta de prata na superfície da cerâmica. Finalmente, para completar o processo de polarização, o material deve ser submetido a um campo elétrico elevado (da ordem dos kV/mm) para orientar os dipolos e induzir a polarização espontânea depois de retirado o campo elétrico[4].

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