Ceramicas piezoelectricas libre de plomos basadas en Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3: efectos del reemplazo de Zr por Hf y Ca por Mg

STACHIOTTI, MARCELO; DI LORETO, ARIEL; FRATTINI, AGUSTIN; MACHADO, RODRIGO

Jornada; 3ras Jornadas Nacionales de Investigación Cerámica; 2017

En la actualidad los materiales piezocerámicos de uso comercial están basados en Zirconato Titanato de Plomo (Pb(TixZr1-x)O3 o PZT). Las manufacturas comerciales y aplicaciones del PZT tienen serios inconvenientes desde el punto de vista ecológico y de la protección medio ambiental, debido a los altos niveles de toxicidad del plomo.La legislación vigente demanda el desarrollo de piezoeléctricos alternativos que no posean plomo y sean adecuados para aplicaciones específicas, tales como sonares, ignitores, transductores ultrasónicos o de diagnóstico medicinal. Recientemente se ha encontrado que el cerámico libre de plomo Ca 0.15Ba0.75Zr0.1Ti0.9Zr0.1O3 (BCZT) presentaun coeficiente piezoeléctrico extremadamente alto como resultado de la cercanía que presenta esta composición a un punto triple en su diagrama de fases. Sin embargo este sistema presenta dos serios inconvenientes que impedirían su futura comercialización como alternativa al PZT: (i) su alta temperatura de sinterización, mayor a los 1400oC, y (ii) su baja temperatura de Curie, cerca de los 90 oC. En este trabajo investigamos el efecto que produce el reemplazo de Zr por Hf, y el el reemplazo de Ca por Mg en las propiedades estructurales y eléctricas del BCZT. Encontramos que la utilización de Hf facilita la formación de la fase de perovskita auna menor temperatura, produciendo un material más denso y con mayor tamaño de grano, generando una mejora en las propiedades piezoeléctricas del sistema. La temperatura de Curie prácticamente no se altera por el cambio de Zr+4 por Hf+4 debido a la similitud química que presentan estos dos iones. En el caso del remplazo de Ca por Mg, mostramos que los iones Mg+2 ocupan posiciones off-center en el sitio A de la estructura de perovskita con desplazamientos a lo largo de la dirección [001]. Esto sedebe a que el Mg+2 menor tiene un radio iónico considerablemente menor que el Ca +2. De esta manera las predicciones teóricas indican que el Mg estabilizaría la fase tetragonal del sistema, aumentando la temperatura de Curie. Sin embargo, los experimentos muestran que esto no ocurre, y el Mg produce la disminución de la temperatura de transición a la fase paraeléctrica. Finalmente mostramos que, al igual que el Hf, la utilización de Mg facilita la formación de la fase de perovskita a menortemperatura.