Trabalho sobre materiais piezoeletricos

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
Marabá – PA
2013

2. UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
Trabalho apresentado ao Prof. Msc. Luis
Fernando como forma de avaliação da
disciplina de Materiais Metálicos, do 5º
semestre do curso Engenharia dos
Materiais.
Discentes: Adielson Rafael Marinho
João Henrique Assunção
Leonardo Vilarinho Jr.
Pryscila Albuquerque
Torben Ulisses da Silva
Marabá – PA
2013

3. 1. INTRODUÇÃO
Com os avanços tecnológicos atuais, podemos desenvolver vários
materiais úteis ao dia a dia, dentre os quais, alguns podem ser muito importantes na
geração de energia limpa e sustentável. Dessa forma, com todo um contexto sócio-
ambiental presente, pesquisas nessa área se tornaram essenciais e cada vez mais,
materiais com essas características vêm sendo desenvolvidos e aplicados. Dentre
esses, um grupo especial de materiais, com uma propriedade muito interessante, já
são usados há algum tempo e estudos para novas utilizações acontecem
atualmente. Refere-se aos materiais com a propriedade piezoelétrica.
A grosso modo, piezoeletricidadeé a capacidade de
alguns materiaisgerarem tensão elétricapor resposta a uma pressão mecânica. O
termo “piezo" é derivado da palavra grega que significa pressão. Assim como a
geração de uma tensão por uma deformação mecânica é possível, o efeito reverso
também pode acontecer, com a ocorrência de uma deformação mecânica em função
da aplicação de tensão elétrica.
As aplicações dos materiais com propriedades piezoelétricas são
variadas, indo desde sensores para estacionamento, passando por telas touche
screnn de dispositivos móveis, até transdutores ultrassonicos empregados em
sistemas de radar e sonar, além de novas aplicações que vem sendo desenvolvidas
com a utilização de nanotecnologia e a busca por formas sustentáveis de se
aproveitar e maximizar a energia que pode ser gerada pelos piezoelétricos.
Desta forma, torna-se muito importante o estudo desses materiais e seu
comportamento nas mais variadas aplicações. Portanto, este trabalho visa explanar
sobre os piezoelétricos e sua utilidade no nosso dia a dia e importancia para a
ciencia, bem como fundamentação teórica desse fenômeno.

4. 2. O EFEITO PIEZOELÉTRICO E SEU FUNCIONAMENTO
Em 1880, Jacques e Pierre Curie descobriram que um potencial elétrico
poderia ser gerado aplicando-se pressão a cristais de quartzo, a sais de Rochelle, e
até a cristais de cana de açucar. Nomearam este fenômeno de “o efeito piezo"
(Katzir 2003).
Segundo Callister (2008), em um material piezoelétrico, a polarização é
induzida e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação
de forças externas.
A piezoeletricidade inversa foi deduzida matematicamente dos princípios
fundamentais da termodinâmica por Lippmann em 1881. Os Curies confirmaram
imediatamente a existência do “efeito piezo inverso" (quando expostos a
determinados potenciais elétricos, tais materiais mudavam sua forma, se expandindo
ou se contraindo),e continuaram os estudos para obter a prova quantitativa da
reversibilidade completadas deformações eletro-elasto-mecânicas em cristais
piezoelétricos.
A figura 01 (a) ilustra o comportamento piezoelétrico, onde a aplicação de
uma tensão produz uma diferença de potencial elétrico mensurável através do
material piezoelétrico. Já a figura 01 (b) ilustra o efeito piezoelétrico reverso, no qual
uma diferença de potencial elétrico muda a magnitude da polarização no material
piezoelétrico e, consequentemente, sua espessura.
Figura 01: (a) efeito piezoelétrico. (b) efeito piezoelétrico
reverso. (De Shackelford, James F. Introduction to
materials science for engineers, 6ª Ed, p.363)
A piezoeletricidade está baseada na formação de forte dipolo entre íons
de cargas contrárias na estrutura cristalina de um cristal iônico. A cristalografia prevê

5. a definição da simetria de um cristal iônico em função de um ponto, eixo ou plano
(ou combinação desses). A partir desses elementos de simetria, todos os cristais são
divididos em 32 grupos diferentes, sendo que 21 destes 32 grupos não possuem um
centro de simetria (condição necessária para existir piezoeletricidade) e 20 deles são
piezoelétricos.
A orientação cristalina aleatória faz com que materiais piezoelétricos não
estejam naturalmente ativos. É necessário polarizar os cristalitos piezoelétricos e isto
só é possível através de técnicas que proporcionem uma orientação preferencial da
estrutura cristalina durante o processo de fabricação. Um método simples, porém
bastante empregado para a orientação de domínios é o processo „poling‟, que será
visto na unidade 4.5.
Em um cristal piezoelétrico, as cargas positivas e negativas estão
separadas, mas simetricamente distribuídas, o que o torna eletricamente neutro.
Quando um stress mecânico é aplicado, esta simetria é perturbada, e a carga
elétrica causada por esta assimetria gera uma tensão por todo o material. Um cubo
de quartzo de 1cm3
, com 2kN de força aplicada, pode gerar uma tensão de
aproximadamente 12500 V.
2.1 Constantes Piezoelétrica
Para selecionar um material piezelétrico para aplicações
tecnológicasprocura-se, em geral, se conhecer algumas de suas propriedades, entre
elaspodemos destacar:
a) Constante de carga piezoelétrica d (m / V ou C / N)
Informa qual é a proporção entre a variação dimensional (∆l) do
materialpiezoelétrico (em metros) e a diferença de potencial aplicada (em Volts), e
entrea geração de cargas elétricas (em Coulomb) e a força aplicada no material
(emNewton). Essa informação é usada principalmente em projetos
deposicionadorespiezoelétricos e sensores de força/deformação.
b) Constante de tensão piezoelétrica g (V.m / N)
Informa qual é a proporção entre a diferença de potencial gerada (em
Volts) ea força aplicada (em Newton) para o comprimento de 1 metro. Essa

6. informação éusada no projeto de detonadores de impacto e “magic clicks” (produz
umacentelha elétrica que acende a chama de um fogão).
c) Coeficiente de acoplamento k (Adimensional)
Eficiência do material na transdução / conversão de energia elétrica
emmecânica e vice versa.Essa informação é indispensável no controle de qualidade
das cerâmicaspiezoelétricas e no projeto de dispositivos em que não se deseja a
conversãocruzada de energia, ou seja, que uma vibração ou deformação em um
eixo nãogere cargas elétricas ou diferença de potencial em outro eixo. Neste caso,
quantomenor o respectivo fator de acoplamento melhor.
d) Fator de qualidade mecânico Q (Adimensional)
É uma medida das perdas mecânicas (amortecimento) do material. Usado
noprojeto de dispositivos dinâmicos de alta potência.
e) Temperatura de Curie TC (°C)
É a temperatura na qual a estrutura cristalina do material sofre uma
transiçãode fase e o mesmo deixa de apresentar propriedades piezoelétricas.
Depois deultrapassada esta temperatura, o material perde a polarização
remanescenteinduzida tornando-se inútil para a utilização como elemento transdutor
de energiaelétrica em mecânica. Essa informação é indispensável no projeto
dedispositivos que deverão operar em altas temperaturas e de alta potência.
3. APLICAÇÕES DE MATERIAIS PÍEZOELÉTRICOS
O termo “piezoelétrico”, apesar de já conhecido desde o início do século
passado, somente veio ganhar notoriedade a partir de 2008, quando boates
londrinas passaram a utilizar cristais piezoelétricos nos pisos, para que, os
freqüentadores, ao pular e dançar, exercessem involuntariamente uma pressão
mecânica sobre a superfície, fazendo com quelâmpadas LED‟s fossem ativadas pela
tensão elétrica gerada, iluminando de várias cores o piso vidrado.
Mas foi ainda na I Guerra Mundial, em 1917, que o efeito piezoelétrico
teve sua primeira utilidade em grande escala, sendo aplicado nos sonares que
equipavam navios e submarinos, através de transdutores piezoelétricos.
Posteriormente, o interesse por esses materiais aumentou e diversas pesquisas
foram iniciadas, resultando em grande avanço nesse campo. Já na II Guerra

7. Mundial, os materiais com efeito piezoelétrico foram utilizados nos transmissores de
comunicação de aeronaves e, com término do armistício, deu-se um verdadeiro
“boom” em pesquisas para novas aplicações dos piezoelétricos, resultando em suas
utilizações nos primeiros tipos de controles remoto, na indústria automotiva, em
equipamentos de medicina, nas telecomunicações e nas mais variadas áreas.
A seguir, falaremos mais um pouco sobre algumas das principais
aplicações para materiais piezoelétricos.
3.1 Transdutores Piezoelétricos
Transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra
forma de energia. Na maioria dos casos, consiste em converter energia elétrica num
deslocamento mecânico ou converter alguma grandeza física não elétrica tal como
som, temperatura, pressão, velocidade ou luz, numa grandeza elétrica. Com o
recurso a transdutores podemos utilizar instrumentação eletrônica para medir,
modificar e melhorar o atual estado tecnológico das aplicações industriais. Por
exemplo, hoje em dia existem já transdutores integrados de temperatura com
sensibilidades da ordem dos 10 a 200 mV por grau centígrado, extremamente
lineares. Existem também transistores de efeito de campo sensíveis a diferentes
íons, utilizados na medida de potenciais bioeletrônicos. Os transdutores são também
hoje muito utilizados em telemetria (transmissão de informação quantificada à
distância).As funções de um transdutor são: ser sensível à presença, magnitude e
variação de um dado mensurado; proporcionar a saída de um sinal elétrico a ser lido
por um leitor.
Devido às propriedades piezoelétricas, os transdutores que atuam com
esses materiais são capazes, então, de converter energia mecânica em energia
elétrica e, a partir do efeito piezoelétrico reverso, realizar a operação contrária. A
partir disso, podemos dividir os transdutores piezoelétricos em aplicações de forma
passiva (sensores) e ativa (atuador). Havendo também um caso especial em que o
transdutor pode atuar das duas formas: os transdutores ultrassônicos.

8. 3.1.1 Sensores Piezoelétricos
Na forma passiva, o transdutor só recebe sinais. Aqui a propriedade
piezoelétrica direta do material é explorada de forma a obter uma voltagem a partir
de uma tensão mecânica externa.Para utilizar o princípio físico de materiais
piezoelétricos, com o objetivo de torná-loum sensor de força, deve-se poder medir a
carga elétrica na superfície do cristal(Putnam &Knapp 1996). Para isto, duas placas
de metal são utilizadas nas extremidadesopostas do mesmo, tornando-o um
capacitor. Na suaregião de operação, quanto maior a força de deformação aplicada
no cristal, maior acarga elétrica na sua superfície. Esta carga resulta em uma tensão
de q=C, onde q é a carga resultante de uma força F, e C é a capacitância do
componente.
Figura 02: Duas placas de metal em contato com o material
piezoelétrico. (Obtida do site do Centro de Pesquisa Computacional
em Música e Acústica da Universidade de Stanford:
http://ccrma.stanford.edu/CCRMA/Courses/252/sensors/node7.html)
Pelo método descrito acima, os cristais piezoelétricos agem como
transdutores quetransformam força ou stress mecânico em carga elétrica que pode
ser convertida emtensão. Alternativamente, o inverso também ocorre. Um exemplo
deste fato é quetransdutores piezoelétricos podem ser encontrados em alto-falantes
(eletricidade para mecânica).Em instrumentos musicais elétricos e microfones, as
vibrações mecânicas dinâmicas (das cordas ou da voz) são transformadas em sinais
elétricos (voltagem alternada) que são então amplificados e convertidos em som
através de amplificadores. As balanças eletrônicas encontradas em supermercados
ou aquelas muito precisas usadas em laboratórios de pesquisa têm seu
funcionamento baseado na piezeletricidade, pois utilizam cristais que se polarizam

9. ao sofrerem umadeformação. Podemos ainda citar como outros exemplos:
hidrofones, extensômetros, pick-ups de DJ's, ignitores de gás e sensores
vibracionais.
3.1.2Atuadores Piezoelétricos
No modo ativo, o transdutor, usando a propriedade piezoelétrica inversa
dosmateriais, recebe um sinal elétrico e muda suas dimensões, enviando um
sinalmecânico para o meio.O mesmo princípio também é usado no mapeamento de
trincas emensaios não destrutivos de materiais.Suas aplicações incluem: sonares,
micro-bombas (empregadas emimpressoras jato de tinta e micro-pipetas) e micro-
posicionadores (eletrônica).
3.1.3 Transdutores ultrassônicos
Materiais piezoelétricos são utilizados como transdutores ultrassônicos
para aplicações de produção de imagens (para medicina, para testes industriais não-
destrutivos, etc) e para aplicações de alta potência (tratamentos médicos, processos
industriais, etc). Para a produção de imagens, o transdutor age tanto como um
sensor como um atuador. Transdutores ultrassônicos podem injetar ondas
ultrassônicas em um corpo, receber a onda de retorno e converter em um sinal
elétrico (voltagem). A maioria dos transdutores médicos de ultrassom são
piezoelétricos.
Quando vários elementos são empilhados um sobre o outro e no final
uma lâmina é colocada, pode-se controlar o cristal e com o deslocamento obtido,
terá um cortador ultrassônico. Este tipo de ferramenta é útil no corte preciso de
materiais plásticos ou similares, já que materiais leves não são afetados pela
vibração ultrassônica.
3.2Motores Piezoelétricos
Um motor piezoelétrico ou piezo motor é um tipo de motor elétrico
baseado na mudança da forma de um dado material piezoelétrico quando um campo
elétrico é aplicado. Motores piezoelétricos fazem uso da piezoeletricidade inversa,
onde o material produz vibrações acústicas ou ultrassônicas para gerar movimentos
lineares ou rotacionais. Em um mecanismo deste tipo, o alongamento em um único

10. plano do material é utilizado para gerar uma série de expansões, manutenções de
posicionamento e contrações.
A grande vantagem da utilização de um motor piezoelétrico é a sua
extrema precisão (da ordem de nanômetros) e relativa alta velocidade, que é
possível graças à sua alta taxa de resposta, assim como a rápida distorção do cristal
piezoelétrico, o que permite que os passos sejam realizados a freqüências bastante
elevadas (acima de 5 MHz). Este fato gera uma velocidade linear máxima de 800
mm por segundo, ou aproximadamente 2.9 km por hora.
3.3 Outras aplicações
Músculos de metal para robôs miniaturizados ou para pequenas próteses.
Esta é uma das visões que poderão se tornar realidade graças a uma descoberta
feita por um laboratório alemão. Os cientistas criaram um novo material metálico, à
base de platina, mas com nanoporos. O novo material se expande e se contrai sob
a ação de uma corrente elétrica. Desta forma, o material converte diretamente
energia elétrica em mecânica e vice-versa.
O novo material agora desenvolvido, além de poder custar mais barato,
trabalha com voltagens mais baixas. É a primeira vez que alterações macroscópicas
de comprimento, visíveis e mensuráveis, foram observadas em um material metálico,
com tão baixa corrente.
A conversão direta de eletricidade em energia mecânica pode ser
utilizada para a criação de "músculos metálicos" que darão movimento a pequenos
robôs ou mesmo a próteses humanas. Mas as aplicações possíveis do material
passam ainda por válvulas microscópicas, ótica adaptativa e materiais inteligentes
capazes de alterar seu formato conforme a necessidade. O efeito de transdução
pode ser utilizado, por exemplo, em sensores que disparam o "air-bag" dos
automóveis.A platina nanoparticulada foi produzida a partir da evaporação de platina
pura em um ambiente fechado com gás nobre. Ao condensar-se, a platina forma
partículas de menos do que 5 nanômetros de tamanho. Estas partículas foram então
compactadas, formando um bloco poroso. Este bloco sólido foi mergulhado em um
eletrólito, um fluido condutivo, que preencheu as cavidades. Quando o bloco é
submetido a uma corrente elétrica, o fluido condutivo encarrega-se de fazer a
eletricidade chegar a cada nanopartícula do sólido. A corrente elétrica altera as
cargas do eletrólito. Como resultado, cargas elétricas são também induzidas nas

11. superfícies das nanopartículas, alterando o número de elétrons dos átomos dessas
nanopartículas, o que altera sua identidade química.A grande novidade consiste no
fato de que, ao se utilizar um metal, a carga induzida não é espalhada sobre uma
ampla área como no caso dos semicondutores.
A piezeletricidade em fibras têxteis revestidas de ZnO têm mostrado
capaz de fabricar "nano sistemas auto-alimentados" com estresse mecânico do
vento ou os movimentos do corpo.Em 2008, o Centro para a Caracterização da
Nanoestrutura no Instituto de Tecnologia da Geórgia relatou a produção de um
dispositivo de geração de energia elétrica (chamada de gerador da bomba de
carga flexível) que entrega corrente alternada esticando e soltando nanofios de
óxido de zinco. Este mini-gerador cria uma tensão oscilante até 45 milivolts,
convertendo quase sete por cento da energia mecânica aplicada em eletricidade.
Os pesquisadores usaram fios com comprimentos de 0,2-0,3 mm e diâmetros de
3-5 micrômetros, mas o dispositivo poderia ser reduzido para um tamanho menor.
Os piezoelétricos também têm sido amplamente pesquisados para
aplicação em geração de energia limpa e sustentável. Há uma infinidade de formas
de obtenção. Pesquisas já realizaram testes com a aplicação de um filme
piezoelétrico sob camadas de asfalto em rodovias, fazendo com que a corrente
gerada pela deformação do asfalto (e do filme), aos carros passarem sobre o
mesmo, seja captada e armazenada como energia elétrica.
4. ALGUNSMATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
O campo de aplicação dos materiais piezoelétricos é vasto, porém, ainda
não são muitos os materiais explorados para tal. Abaixo destacaremos 3 materiais
com propriedades piezoelétricas. O Titanato de Bário, que foi um dos primeiros
compostos piezoelétricos utilizados, mas que hoje em dia está dando lugar a outras
ligas; o TitanatoZirconato de Chumbo, que vem sendo o mais utilizado atualmente; e
o óxido de zinco, que ainda não tem muita aplicação, porém, tem capacidade para
ser muito explorado nos próximos anos.
4.1 Titanato de Bário (BaTiO3)
O titanato de bário, BaTiO3 (com fórmula genérica ABX3) apresenta uma
estrutura muito comum entre os minerais, estrutura esta de especial interesse pois é

12. a mesma de materiais como os ferroelétricos e os supercondutores. Possui
aparência branca de cristais translúcidos. Não é solúvel em água, somente em
ácidos concentrados.
4.1.1Estrutura
Os "grandes" cátions azuis (de Ba ou genericamente A) e os ânions
vermelhos (o X da fórmula - freqüentemente oxigênio) formam um empacotamento
cúbico fechado, restando aos "pequenos" cátions B (de Ti neste exemplo) posições
nos espaços octaédricos entre os ânions como pode ser visto na figura 03 (a).A
estabilidade da estrutura depende dos raios iônicos relativos: se os cátions são
muito pequenos para o empacotamento compacto com os ânions de oxigênio, eles
podem ser levemente deslocados. Considerando que estes íons têm carga elétrica,
tais deslocamentos podem levar a um momento de dipolo elétrico (cargas opostas
separadas por uma pequena distância).
4.1.2Obtenção
No estado sólido o Titanato de Bário possui cinco fases, de acordo com
sua temperatura: hexagonal, cúbica, tetragonal, ortorrômbica e romboédrica.
Estruturas cristalinas ordenadas respectivamente às temperaturas decrescentes.
Pode ser obtido através da sinterização em fase líquida do carbonato de bário e
dióxido de titânio, sendo muitas vezes misturado com o titanato de estrôncio.
Figura 03: estrutura do titanato de bário (a). Célula unitária PZT do tipo
Perovskite no estado cúbico simétrico acima da temperatura de Curie (antes da
aplicação do campo elétrico) (b).

13. 4.2PZT (TitanatoZirconato de Chumbo)
É um composto inorgânicotambém chamado PZT, sendo um material
cristalino de estrutura tipo ABO3que apresenta um acentuado efeito piezoeléctrico.
Trata-se de um sólido branco, que é insolúvel em todos os solventes.
4.2.1 Estrutura
Com a fórmula química Pb [ Zr x Ti 1 - x] O 3 0 ≤ x ≤ 1) com fórmula
característica da perovskita que pode ser interpretada como uma combinação da
estrutura cubica simples (CS), com cúbica de corpo centrado (CCC) e a cúbica de
face centrada (CFC), mas em uma análise cuidadosa, verifica-se que diferentes
átomos ocupam as posições dos vértices (A), do centro (B) e das faces (O-
²). Como
resultado, a estrutura da perovskita é um exemplo da rede cúbica de Bravais, com 5
íons (1 A, 1 B e 3O) por célula unitária, de acordo com a figura 03 (b)
4.2.2Propriedades Mecânicas e ensaios realizados
O material cerâmico PZT (TitanatoZirconato de Chumbo) pode suportar pressões de
até 250 MPa (250 x 106 N/m2
) sem quebrar. Porém, não se deve, de modo algum,
utilizar valores de pressão próximos a este em aplicações práticas, já que a
despolarização ocorre a pressões na ordem de 20 a 30% deste limite mecânico.
Para atuadores de empilhamento e estágios (combinações de viários materiais),
limitações extras se aplicam como as saliências e as interações entre as
interfaces.Os dados de capacidade de carga de um atuador, para aplicações
praticas, devem ser suficientemente conservativos para a garantia de uma longa
vida útil do mesmo.As cargas de tração de atuadores piezoelétricos não pré-
carregados são limitadas de 5 a 10% do limite de carga compressiva. Existem
diversos atuadores piezoelétricos com uma mola de pré-carga interna para aumentar
sua capacidade de tração, o que é bastante recomendado para aplicações
dinâmicas.A cerâmica PZT é especialmente sensívelà forças de rotação. Elas devem
ser compensadas por medidas externas.
4.2.3Obtenção
O PZT pode ser obtida através de diversos processos de síntese que
diferem pela natureza dos precursores utilizado. No entanto a metodologia de

14. mistura dos óxidos é a mais barata e industrialmente utilizada, processos químicos
também são empregados como o método sol-gel, coprecipitação e Pechini, estes
processos químicos diminuem a energia necessária para formação da fase cristalina
do PZT.
4.3 Óxido de Zinco – ZnO
O óxido de zinco é um composto inorgânico com a fórmula ZnO. Ele
geralmente aparece como um pó branco, praticamente insolúvel em água. O ZnO
está presente na crosta terrestre como o mineral “zincite”, no entanto, a maior
parte do ZnO utilizado comercialmente, é produzida sinteticamente.
4.3.1 Estrutura
O óxido de zinco se cristaliza em três formas: wurtzita hexagonal,
“zincblende” cúbico, e o sal de rocha, raramente observado. A estrutura wurtzita é
mais estável em condições ambiente e, portanto, mais comum. A forma zincblende
pode ser estabilizada pelo crescimento de ZnO sobre substratos, com uma
estrutura de treliça cúbica, que resultam em piezeletricidade do ZnO hexagonal.
Em ambos os casos, os centros de zinco e óxido são tetraédricos. A estrutura de
sal de rocha (tipo NaCl) é observada apenas em pressões relativamente altas de
cerca de 10 GPa.
A ligação em ZnO é largamente iônica, o que explica a sua forte
piezeletricidade. Devido às ligações polares Zn-S, os níveis de zinco e oxigênio
suportam cargas elétricas (positivas e negativas, respectivamente). Portanto, para
manter a neutralidade elétrica, tais níveis são reconstruídos em nível atômico, na
maioria dos materiais relativos, mas não no ZnO - as suas superfícies são
atomicamente planas, estáveis e não apresentam nenhuma reconstrução. Esta
anomalia do ZnO não está totalmente esclarecida.
4.3.2Propriedades mecânicas
O ZnO é um material relativamente macio, com dureza aproximada de
4,5 na escala de Mohs. Suas constantes elásticas são menores que as dos
semicondutores III-V relevantes, tais como GaN. A capacidade de calor elevado e
condutividade térmica, baixa expansão térmica e alta temperatura de derretimento
de ZnO são benéficos para a cerâmica.

15. Entre os semicondutores tetraedricamente forçados, foi afirmado que o
ZnO tem o maior tensor piezelétrico ou pelo menos comparável à de GaN e AlN.
Esta propriedade faz com que seja um material tecnologicamente importante para
muitas aplicações piezelétricas, que exigem um grande acoplamento
eletromecânico.
4.3.3 Obtenção
Para o uso industrial, o ZnO é produzido em níveis de 105 toneladas
por ano, por três processos principais:
Processo indireto (Francês): o zinco metálico é fundido em um
cadinho de grafite e vaporizado em temperaturas acima de 907 ° C (geralmente
em torno de 1000 ° C). Os vapores de zinco reagem instantaneamente com o
oxigênio do ar para dar ZnO, acompanhados por uma queda em sua temperatura
e luminosidade intensa. Partículas de óxido de zinco são transportadas para um
duto de refrigeração e recolhidos em um saco. Seu produto é normalmente
constituído por partículas de óxido de zinco aglomerados com tamanho médio de
0,1 a alguns micrômetros.
Processo direto (Americano):noprocesso direto, o material inicial é de
vários compostos de zinco contaminados, como os minérios de zinco ou de
fundição de subprodutos. Ele é reduzido por aquecimento com aditivo de carbono
(antracita, por exemplo) para produzir vapor de zinco, que é então oxidado como
no processo indireto. Devido à menor pureza do material de origem, o produto final
também é de qualidade inferior no processo direto, em comparação com o
indireto.
Processo químico, úmido: os processos químicos úmidos começaram
com soluções purificadas de zinco, a partir dos quais o carbonato de zinco ou
hidróxido de zinco é precipitado. Em seguida, é filtrado, lavado, secado e
calcinado em temperaturas: ~ 800 ° C.
O óxido de zinco em pó branco comum pode ser produzido em
laboratório por eletrólise de uma solução de bicarbonato de sódio com um ânodo
de zinco. Hidróxido de zinco e gás hidrogênio são produzidos. O hidróxido de
zinco sob aquecimento se decompõe em óxido de zinco.

16. 4.4 Propriedades mecânicas de materiais Piezoelétricos
Cerâmicas ferroelétricas e, particularmente, algumas das piezoelétricas,
são elementos estruturais que precisam resistir razoavelmente a altos níveis de
tensão nas suas condições de uso.
De qualquer forma, é sempre preferível utilizar materiais ferroelétricos
(como para a maioria das cerâmicas) em esforços de compressão do que em tensão
(o esforço de tensão se torna então, um fator limitante). Dessa forma, é exigida boa
resistência mecânica para esses materiais, porém, certa ductilidade é desejável para
que se possam ter os efeitos de deformação mecânica apropriados.
4.5 Polarização – Tratamento pós-produção
O principal tratamento dado aos materiais piezoelétricos é a polarização.
A polarização (“poling") do material piezoelétrico consiste no seu aquecimento até
que haja a superação da sua temperatura de Curie, fazendo com que a estrutura do
seu cristal se torne centro-simétrica e todos os dipolos desapareçam. Então é
aplicado um campo elétrico de intensidade elevada. Assim, a estrutura do cristal é
deformada e se forma uma polarização no sentido indicado na figura abaixo.
Posteriormente, o material é resfriado ainda na presença deste campo elétrico.
Como consequência, os dipolos tendem a se alinhar com o campo aplicado, dando
origem a uma polarização total diferente de zero, após o resfriamento.Finalmente, o
campo elétrico é removido, concluindo o processo. Nem todos osdipolos conseguem
retornar à sua orientação de origem (fenômeno da histerese), o que resulta em uma
polarização remanescente através do material, assim como uma deformação
permanente. A polarização é resumida de acordo com a figura 04.
Figura 04: Orientação dos domínios durante a realização da polarização
(GmbH&KG, 2006)

17. 5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
Como vantagens notáveisdos materiais piezoelétricospodemos destacar:
Podem ser utilizados para produção de energia a baixo custo, limpa e
sustentável;
É um campo vasto para pesquisas e conseqüente desenvolvimento de novos
materiais;
Podem ser implementados em diversas atividades mecânicas para a geração
de energia;
Como desvantagens, os piezoelétricos apresentam algumas limitações,
abaixo, sendo a temperatura e suas variações as principais protagonistas destas
limitações.
:
a) Envelhecimento natural (e acelerado pelas condições de uso): Com o passar do
tempo, a polarização remanescente induzida durante o processo de fabricação das
cerâmicas esvaece naturalmente, independentemente da ação de agentes externos
ou do uso do material.
b) Instabilidade das propriedades em função de variações de temperatura: Em
eletrônica, estamos habituados a observar a mudança de propriedades e
comportamento em todos os tipos de componentes, desde os resistores, que
apresentam resistência maior quando aquecidos, aos semicondutores, que
conduzem melhor aquecidos. No caso das cerâmicas, estas alterações também
acontecem, porém, com maior intensidade e de forma imprevisível, devido à
complexidade dos mecanismos envolvidos no efeito piezoelétrico.
c) Limites de excitação elétricos e mecânicos: As cerâmicas piezoelétricas são
materiais frágeis poucos resistentes à tração, sendo importante observar os limites
de cada material para evitar quebras.
No caso específico do PZT, há uma preocupação em relação ao chumbo,
que é um metal pesado tóxico e, por conta disso, muitos órgãos reguladores
europeus estão proibindo sua aplicação em componentes eletrônicos.

18. 6. CONCLUSÃO
Apesar de poucos materiais piezoelétricos conhecidos, principalmente na
área de materiais metálicos (Ligas), pode-se perceber a grande importância e a
diversa aplicabilidade destes materiais.
Sem falar que o estudo dos materiais piezoelétricos está ligado diretamente
às inovações tecnológicas de grande valor, melhorando a exploração e o
conhecimento de informações dos quais sem o mesmo não seria possível detectar.
Pode-se, encontrar materiais piezoelétricos na indústria automobilística,
aeronáutica, naval, de eletro-eletrônicos, médica etc.
Portanto, tornam-se de muita importância os estudos dos materiais
piezoelétricos, por se tratarem de materiais que podem representar um campo de
atuação com futuro promissor para os engenheiros de materiais.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
- Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. 7ª edição.
Rio de Janeiro: LTC, 2008
- Droescher, R. E., Obtenção e caracterização microestrutural e elétrica de
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