Estudio de cerámicas piezoeléctricas libres de plomo procesadas por microondas

Abstract

[ES] Con el creciente aumento de la tecnología, las industrias demandan nuevos métodos de procesamiento de materiales, que puedan contribuir a mejorar las propiedades físicas y mecánicas, en comparación con los métodos convencionales. Los principales requerimientos de los métodos no convencionales son la disminución del consumo energético y el tiempo de procesamiento. En este sentido, la radiación por microondas ha presentado importantes ventajas en términos de las propiedades físicas y mecánicas de algunos materiales, además de ahorros energéticos y tiempos de procesamiento. En el área de las cerámicas piezoeléctricas, su procesamiento por medio de microondas es un tema de reciente creación. Hasta la fecha, existe poca literatura que reporta el uso de la radiación electromagnética como medio para el procesamiento de este tipo de materiales, por lo que es necesario profundizar en el tema. Los materiales piezoeléctricos convierten tensiones mecánicas en una diferencia de potencial sobre sus superficies. Este efecto es provocado por la polarización espontanea de algunos cristales, que presentan un eje no centro-simétrico dentro de su estructura cristalina. La investigación actual se enfoca en el desarrollo de materiales cerámicos piezoeléctricos libres de plomo, sin que, a la fecha, exista un material que pueda mejorar las propiedades que ofrecen los basados en el compuesto Pb(Ti,Zr)O3. En este trabajo se estudia la aplicación de microondas en el procesamiento de materiales piezoeléctricos libres de plomo, basados en el compuesto K0.5Na0.5NbO3. Las cerámicas basadas en este compuesto han demostrado tener altas propiedades piezoeléctricas, como el parámetro d33 mayores a 300 pC/N. La aplicación de microondas durante la síntesis por reacción en estado sólido, a temperaturas cercanas a 800 °C, de los compuestos base K0.5Na0.5NbO3 genera la formación de fase perovskita con la presencia de fases secundarias. Las fases secundarias son producto de la alta velocidad de calentamiento ocasionada por el procesamiento de microondas. Durante la sinterización por microondas, se obtienen densidades relativas similares a las obtenidas por el método convencional, cercanas al 95%, sin embargo, se generan heterogeneidades estructurales que influencian las propiedades ferroeléctricas, dieléctricas y piezoeléctricas de los compuestos libres de plomo. A la fecha, no se han realizado estudios que determinen los efectos de la aplicación de radiación microondas monomodo en materiales piezoeléctricos de este tipo, por lo que los resultados de esta investigación exploratoria son interesantes para la aplicación de esta técnica en el desarrollo de métodos no convencionales de procesamiento.

[EN] Industry demands new methods of processing materials in order to improve its properties. Priory requirements in new processes involve the reduction of energy consumption and processing time. In that sense, if heating is required during the process, heating by microwave radiation has showed some important advantages in comparison with conventional heating. Microwave heating is a non-conventional technique that involves high heating rates and rapid processing times. The properties of most materials heated by microwave radiation showed similar or superior properties than the obtained by conventional processing. Materials such as zirconium, alumina, and some metals has been sintered by microwave heating, while other inorganic compounds as oxides has been synthetized successfully by applying different microwave heating techniques. In the other hand, the processing of piezoelectric materials by microwave of energy remains with minor research. So far, there's a lack of literature about microwave radiation to process piezoelectric materials, therefore, it's necessary to be explored. Furthermore, this research focuses on studying the processing lead-free piezoelectric materials, based on the compound (K-Na)NbO3 by using microwave radiation. Ceramics based on this compound have shown high piezoelectric properties, such as d33 constants greater than 300 pC / N becoming a possible substitute of the toxic PZTs. Ceramics based on (K-Na)NbO3 were synthesized by microwave-assisted solid-state reaction route. The obtained powders were formed at 650°C during 10 minutes by a heating which represents 90% less of the conventional time. Microwave sintering of (K-Na)NbO3-based ceramics at 1100°C during 10 minutes generates dense ceramics, with similar densities than the conventional sintering, reducing its sintering time. However, structural heterogeneities were formed in the process influencing the ferroelectric, dielectric and piezoelectric ceramics properties.

[CA] Amb el creixent augment de la tecnologia, les indústries demanden nous mètodes de processament de materials, que puguen contribuir a millorar les propietats físiques i mecàniques, en comparació amb els mètodes convencionals. Els principals requeriments dels mètodes no convencionals són la disminució del consum energètic i el temps de processament. En este sentit, la radiació per microones ha presentat importants avantatges en termes de les propietats físiques i mecàniques d'alguns materials, a més d'estalvis energètics i temps de processament. En l'àrea dels ceràmics piezoelèctrics, el seu processament per mitjà de microones és un tema de recent creació. Fins a la data, hi ha poca literatura que reporta l'ús de la radiació electromagnètica com a mitjà per al processament d'este tipus de materials, per la qual cosa és necessari aprofundir en el tema. Els materials piezoelèctrics responen a un efecte mecànic per mitjà de la generació d'una diferència de potencial i viceversa a causa de la seua estructura asimètrica. La investigació actual s'enfoca en el desenrotllament de materials ceràmics piezoelèctrics lliures de plom, sense que, a la data, existisca un material que puga millorar les propietats que oferixen els basats en el compost PbTiZrO3. En este treball s'estudia l'aplicació de microones en el processament de materials piezoelèctrics lliures de plom, basats en el compost K0.5Na0.5NbO3. Els ceràmics basats en este compost han demostrat tindre altes propietats piezoelèctriques, com una constant d33 major a 300 pC/N. L'aplicació de microones durant la síntesi per reacció en estat sòlid dels compostos basats en K0.5Na0.5NbO3, a temperatures pròximes a 800 °C, genera la formació de fase perovskita amb la presència de fases secundàries. Les fases secundàries són producte de l'alta velocitat de calfament ocasionada pel processament de microones. Durant la sinterització per microones, s'obtenen densitats relatives semblants a les obtingudes pel mètode convencional, pròximes al 95%, no obstant això, es generen heterogeneïtats estructurals que influencien les propietats ferroelèctriques, dielèctriques i piezoelèctriques dels compostos lliures de plom.