INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES

1. INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES Tema: Titanato de Bario Grupo: Estefanía Espinosa Gracia Marta Pastor Peydró Marcos Siles Chinchilla

2. ÍNDICE • Introducción • Propiedades • Estructura • Composición • Síntesis • Aplicaciones • Conclusión • Bibliografía

3. INTRODUCCIÓN

4. BaTiO3 • Considerado como un material prototipo dentro de los ferroeléctricos. • El más estudiado desde el punto de vista básico, tanto experimental, como teórico, debido a sus variadas propiedades físicas. • Material cerámico que presenta una elevada constante dieléctrica, y un reducido factor de pérdidas. (Material aislante). • Las propiedades del titanato de bario son fuertemente influenciadas por la presencia de defectos, especialmente las vacancias de oxígeno. • A través de modificaciones adecuadas de las propiedades de los granos y los bordes de grano se obtienen características muy interesantes para muchas aplicaciones.

5. PROPIEDADES

6. GENERALIDADES • El titanato de bario es un material cerámico. • Propiedades ferroeléctricas: retener información en su estructura cristalina sin necesidad de estar conectado a una fuente eléctrica. • Presenta dos fases: Fase paraeléctrica (no hay desplazamiento de los iones) y Fase ferroeléctrica (desplazamiento de iones en la estructura).

7. CLASIFICACIÓN • Resulta muy difícil clasificarlo ya que tendríamos que crear una subclasificación, por cada mecanismo de polarización, presenta una fase polar y otra no polar. • Pequeña clasificación de las principales características de nuestro material • En la fase no polar no es piezoeléctrico • La constante de transición de la fase paraeléctrica a la fase ferroeléctrica es muy alta • Pose varias direcciones de la polarización espontánea • está situado en la cabeza del grupo de los octaedros de oxigeno.

8. ESTRUCUTURA

9. La fase paraeléctrica a alta temperatura predomina la estructura cúbica simple del mineral Perovskita (CaTiO3). • Los óxidos que tiene la formula molecular ABO3, presentan la misma estructura cristalina que el mineral Perovskita (PbTiO3) (KNbO3).

10. En la estructura cúbica simple hay 5 átomos por celdilla unidad y la contribución de cada átomo es la siguiente: • Para el caso del Ti4+, su posición es ( ½, ½; ½), su contribución es de 1·1= 1 átomo. • En el caso del Ba2+, sus posiciones son (0,0,0) y sus equivalentes , su contribución es de 8 · 1/8 = 1átomo. • En el O2-, sus posiciones son ( 0, ½, ½), ( ½, 0, ½) , ( ½, ½,0) y sus posiciones equivalentes, su contribución es de 6 · ½ = 3 átomos. • La suma de todas las contribuciones dan 5 átomos por celdilla unidad.

11. COMPOSICIÓN

12. Fase paraeléctrica estructura cúbica simple, esta estructura se mantiene estable entre los 130 o C y los 1460 o C. El momento dipolar eléctrico se anula provocando que el material no posea ninguna propiedad eléctrica.

13. Cuando la temperatura de Curie disminuye desde los 120 o C hasta los 5 ó 0ºC la estructura cristalina cambia de fase y pasa a tener una estructura de celda unidad Tetragonal. • Nuestro material ha pasado a tener la fase ferroeléctrica y la dirección de la polarización es (100).

14. Continuamos disminuyendo la temperatura de Curie de los 0 oC hasta -90 oC, pasa a tener una estructura ortorrómbica, en esta fase, por su puesto hay polarización espontánea y la dirección del momento dipolar eléctrico es (110), seguimos estando en la fase ferroeléctrica.

15. Si disminuimos la temperatura de Curie por debajo de -90 o C nuestro material vuelve a sufrir un cambio de estructura cristalina de su celda unidad a Romboédrica. • Continua habiendo polarización cuya dirección es (111). • Nos encontramos en la fase ferroeléctrica.

16. De forma general podríamos representar todas las transiciones de esta forma:

17. SÍNTESIS

18. Pasos de procesado básicos: preparación del polvo procesado de dicho polvo “green forming” densificación

19. Preparación del polvo de la cerámica • Obejtivo alcanzar un polvo de cerámica que rinda en un producto que satisfaga los estándares de funcionamiento especificados. • Ejemplos: • mezcla/calcinación • co-precipitación de solventes • procesado hidrotérmico • descomposición orgánica del metal

20. REACCIONES Mezcla/calcinación BaCO3 + TiO2→ ∆T BaTiO3 + CO2↑ Co-precipitación de disolventes Ba2+ + TiO2 + CO2O42-→ (H2O) BaTi(C2O) 24H2O → ∆T BaTiO3 + 4 H2O ↑ + 4CO2 ↑ Procesado hidrotérmico Ba2+ + TiO2 + H2O → BaTiO3 + 2H2O Descomposición orgánica del metal

21. Mezcla/Calcinación • Mezclar los componentes seguidos de una calcinación y después molerlos. • Directo • Rentable • La calcinación de alta temperatura produce un polvo aglomerado que requiere ser molidodefectos en el producto manufacturado en forma de inclusiones mal sinterizadas o de modificaciones indeseables del compuesto. • Dificultad para alcanzar la homogeneidad, la estequiometría, y las fases deseadas para la cerámica de composición compleja.

22. Co-precipitación de disolventes • Los compuestos son precipitados de una solución precursora por la adición de un agente de precipitación un hidróxido. • La mezcla de los elementos deseados se alcanza fácilmente, permitiendo así temperaturas más bajas. • Los iones usados para proporcionar las sales solubles (por ejemplo, los cloruros del metal) pueden rezagarse en el polvo después de la calcinación, afectando las características en el material sinterizado.

23. Proceso hidrotérmico • Utiliza agua caliente bajo presión (sobre 100°C) para producir los óxidos cristalinos. • Los polvos cristalinos de estequiometría deseada y las fases se pueden preparar en las temperaturas perceptiblemente inferiores a las requeridas para la calcinación. • La fase de la solución se puede utilizar para mantener las partículas separadas y para reducir al mínimo la aglomeración. • Necesidad de las materias de base de reaccionar en un sistema cerrado para mantener la presión y para prevenir hervir la solución.

24. Descomposición orgánica del metal • El metal que contiene los productos químicos orgánicos reacciona con agua en un solvente no acuoso formando un hidróxido del metal o un óxido acuoso, o en los casos especiales, un óxido de metal anhidro. • Control sobre la pureza y la estequiometría que pueden ser alcanzadas. • Control de la atmósfera (si está requerido) y costo de los productos químicos. Sin embargo, el coste de productos químicos orgánicos del metal está disminuyendo con el mayor uso de las técnicas MOD.

25. Procesado del polvo • El procesado debe ser tan simple (el menor) como sea posible para alcanzar los estándares de funcionamiento apuntados. • Los contaminantes indeseables y los defectos pueden entrar en el material. • Mantener el proceso simple no es siempre posible: cuanto más complejo el sistema material, más complejos son los requisitos del proceso.

26. Formación del Verde (green forming) • Uno de los pasos más críticos de la fabricación de la cerámica electrónica. • Depende de la última geometría requerida para un uso específico.

27. Densificación • Altas temperaturas para eliminar la porosidad en cerámica verde. • Técnicas: • sinterización sin presión: cómoda y económica. • presión en caliente: se limita a formas simples. • presión isostática en caliente (HIP): formas más complejas.

28. APLICACIONES

29. FERROELECTRICIDAD • PIEZOELECTRICIDAD • PRINCIPALES APLICACIONES

30. FERROELECTRICIDAD • Definición: capacidad que presentan ciertos materiales para retener información en su estructura cristalina, sin necesidad de estar conectados a una fuente de energía, como pilas o corriente eléctrica. • La información es almacenada gracias a la polarización eléctrica que poseen, que puede ser activada por algún tipo de voltaje, y aun cuando éste sea retirado, la polarización persiste. • La ferroelectricidad de un material depende de la estructura cristalina y de la temperatura. • La ferroelectricidad decrece a medida que el tamaño de los granos disminuye.

31. Materiales Ferroeléctricos • Titanato de Bario BaTiO3 • Titanato Zirconato de plomo: Pb(Zr,Ti)O3 • Titanato Zirconato de Plomo Lantamio: Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 • Titanato de Bismuto: Bi4Ti3O12 • Titanato de Bario Estroncio:(Sr,Ba)TiO3 • Todos estos materiales son sintéticos y tienen dos propiedades importantes: piezoelectricidad y ferrrolectricidad. • El titanato de bario es el más popular porque fue el primer compuesto sintetizado.

32. PIEZOELECTRICIDAD Definición: deformidad que se produce únicamente en materiales cerámicos al incidir sobre ellos una corriente alterna de alta frecuencia, produciendo una dilatación y contracción que origina vibraciones mecánicas, comportándose así el material como un emisor sonoro. Para que la materia presente la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que no tengan centro de simetría (que posean disimetría) como los cerámicos.

33. Efecto piezoeléctrico directo: esfuerzos de compresiónsobre el material reducen la distancia entre los dipolos unitarios, el material varía la densidad de carga en los extremos de la muestra y así cambia la diferencia de potencial entre estos extremos, si están aislados uno del otro. (Energía mecánica  Energía eléctrica)

34. Efecto piezoeléctrico inverso: aquí aplicamos uncampo eléctrico a través de los extremos de la muestra, la densidad de carga en cada uno de los extremos de la misma cambiará, La muestra sufre un ligero alargamiento, debido al incremento de la carga positiva que en uno de sus extremos atrae a los polos negativos de los dipolos, con un comportamiento contrario en el otro extremo de la muestra. (Energía eléctrica  Energía mecánica)

35. PRINCIPALES APLICACIONES • Condensadores (almacenan y modulan la energía). • Pendrives (retienen la información sin una fuente externa). • Materiales electroópticos (cierran y abren ondas electromagnéticas en fibras ópticas). • Tocadiscos, vinilos, micrófonos, transmisiones de radio. • Válvulas ultrasensibles. • Aplicaciones de los cerámicos en Ultrasonidos y Ecografía.

36. Se ha logrado un material que es más resistente a la torsión que el diamante, mezclando partículas del mineral estudiado, titanato de Bario y estaño fundido. El diamante era considerado hasta ahora, el material más rígido conocido. • Aplicaciones útiles, tal vez para hacer fundas protectoras contra impactos.

37. CONCLUSIÓN

38. Aislante a temperatura ambiente. • Comportamiento dieléctrico, (momento permanente propio). Si aumentamos un poco la temperatura, el momento dipolar se anula. • Al disminuir la temperatura, los iones se desplazan, aparece un momento dipolar eléctrico propiedades ferroeléctricas. • Piezolelectricidad buen transductor de la electricidad • Gamma de aplicación amplia, en el ámbito de la electricidad, las comunicaciones y la electrónica.

39. FIN DE LA PRESENTACIÓN