Sobre as Cerâmicas Piezoelétricas

Em qualquer escala de frequência ou potência, o elemento ativo e núcleo da maioria dos transdutores ultra-sônicos é um material piezoelétrico, que pode pertencer a um dos seguintes grupos: cristais de quartzo, cristais hidrossolúveis, monocristais piezoelétricos, semicondutores piezoelétricos, cerâmicas piezoelétricas, polímeros piezoelétricos e compósitos piezoelétricos [1]. Destes grupos, as cerâmicas piezoelétricas são o que apresenta a maior flexibilidade de formato e de propriedades, sendo largamente utilizadas na construção de equipamentos industriais, que vão desde sistemas de limpeza até sistemas de solda por ultra-som, passando pelos de ensaios não destrutivos e de controle de vibrações, para citar apenas alguns exemplos.

História

O efeito piezoelétrico foi descoberto em 1880 pelos irmãos Curie e utilizado em uma aplicação prática pela primeira vez por Paul Langevin no desenvolvimento de sonares durante a primeira guerra mundial. Langevin utilizou cristais de quartzo acoplados a massas metálicas (inventado o transdutor tipo Langevin) para gerar ultra-som na faixa de algumas dezenas de kHz’s. Após a primeira guerra mundial, devido à dificuldade de se excitar transdutores construídos com cristais de quartzo por estes demandarem geradores de alta tensão, iniciou-se o desenvolvimento de materiais piezoelétricos sintéticos. Estes esforços levaram à descoberta e aperfeiçoamento nas décadas de 40 e 50, das cerâmicas piezoelétricas de Titanato de Bário pela então URSS e Japão, e das cerâmicas piezoelétricas de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT’s) pelos EUA [2,3]. O desenvolvimento das cerâmicas piezoelétricas foi revolucionário. Além de apresentarem melhores propriedades que os cristais depois de polarizadas, também oferecem geometrias e dimensões flexíveis por serem fabricadas através da sinterização de pós cerâmicos conformados via prensagem ou extrusão. Atualmente as cerâmicas piezoelétricas tipo PZT, em suas diversas variações, são as cerâmicas predominantes no mercado. Também podemos encontrar outros materiais, como por exemplo, o PT (PbTiO3) e o PMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3), utilizados em dispositivos que exigem propriedades especiais e muito específicas, como transdutores para alta temperatura.

Como funcionam

As cerâmicas piezoelétricas são corpos maciços semelhantes às utilizadas em isoladores elétricos, são constituídas de inúmeros cristais ferroelétricos microscópicos, sendo inclusive denominadas como policristalinas. Particularmente nas cerâmicas do tipo PZT, estes pequenos cristais possuem estrutura cristalina tipo Perovskita, que apresenta simetria tetragonal, romboédrica ou cúbica simples, dependendo da temperatura em que o material se encontra. Estando abaixo de uma determinada temperatura crítica, conhecida como temperatura de Curie, a estrutura Perovskita apresenta a simetria tetragonal em que o centro de simetria das cargas elétricas positivas não coincide com o centro de simetria das cargas negativas, dando origem a um dipolo elétrico.

A existência deste dipolo faz com que a estrutura cristalina se deforme na presença de um campo elétrico e gere um deslocamento elétrico quando submetida a uma deformação mecânica, o que caracteriza o efeito piezoelétrico inverso e direto respectivamente, como ilustrado na figura abaixo.

A deformação mecânica ou a variação do dipolo elétrico da estrutura cristalina da cerâmica não implica necessariamente em efeitos macroscópicos, visto que os dipolos se arranjam em domínios, que por sua vez se distribuem aleatoriamente no material policristalino. Para que ocorram manifestações macroscópicas é necessária uma orientação preferencial destes domínios, conhecida como polarização. Inclusive esta polarização se esvaece com o tempo e uso, inutilizando o material para a transformação de energia elétrica em mecânica [5].

Referências

GALLEGO, J.; Piezoelectric ceramics and ultrasonic transducers, J. Phys. E: Sci. Instrum., 22 804-816 1989.

SUSLICK, K.S.; The Chemical Effects of Ultrasound, Scientific American February 1989.

CADY, W. G.; Piezoelectricity: An Introduction to the Theory and Applications of Electromechanical Phenomena in Crystals, Dover Press, 1964.

JAFFE, B.; Piezoelectric Ceramics, Academic Press, 1971.

Links interessantes

Livro sobre aplicações dos materiais piezoelétricos com descrição dos cálculos e métodos envolvidos. Interessante.

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