Influencia de la adición de ZrO2 sobre la capacidad de generación de energía en cerámicos libres de plomo de composición 0.96Bi0.5Na0.5Ti1-xO3–0.06BaT1-xO3–xZrO2

DIFEO, MAURO; GIBBS, FLORENCIA; RAMAJO, LEANDRO; CASTRO, MIRIAM

Congreso; jonicer 5 2022; 2022

La generación de energía (GE) implica varias técnicas para capturar, almacenar y usar la energía ambiental, que permitan suministrar energía a pequeños dispositivos electrónicos. En ella se podrían hacer diferentes clasificaciones según la fuente de energía explotada (por ejemplo, eólica, solar, térmica, cinética); o mecánica de transducción (por ejemplo, electrostática, electromagnética y piezoeléctrica) [1].En los últimos años, la generación de energía piezoeléctrica (GEP) ha recibido un gran interés por sus beneficios en comparación a otras alternativas. Los materiales piezoeléctricos utilizados para GEP tienen ventajas y desventajas. Ellos poseen una alta eficiencia de conversión de energía, buena generación de energía, características de peso y volumen relativamente bajas que permiten la miniaturización, así como la ausencia de requisitos de voltaje externo, siendo este último de gran importancia para el desarrollo de energías renovables [2,3]. Por otro lado, la GEP aporta una densidad de potencia menor que la energía solar (sistemas fotovoltaicos) [1].Durante mucho tiempo, los materiales piezoeléctricos para la recolección de energía se basaron en titanato circonato de plomo (PZT) [4]. Sin embargo, desde el año 2003, la legislación de la Unión Europea (UE) restringe su uso debido a los efectos nocivos del plomo tanto en la salud como en la naturaleza [5]. Estas limitaciones impulsaron el desarrollo de una alternativa sin plomo a la cerámica piezoeléctrica a base de PZT [6]. De esta manera, se ha prestado mucha atención al estudio de cerámicos piezoeléctricos sin plomo, tal como el titanato de bismuto y sodio Na0,5Bi0,5TiO3 (BNT) que podría considerarse como un candidato prometedor por su polarización remanente relativamente grande a temperatura ambiente (~ 38 μC/cm2), así como por su alta temperatura de Curie (~ 320 °C) [7]. Sin embargo, su coeficiente piezoeléctrico moderado y la dificultad para lograr una polarización completa dificultan su uso para posibles aplicaciones [8]. Para contrarrestar este inconveniente, se analizaron soluciones sólidas de Bi0,5Na0,5TiO3–BaTiO3 (BNT-BT), donde Na+ y Bi3+ son sustituidos parcialmente por Ba+2 en el sitio A del BNT. La combinación entre (Bi0,5Na0,5)TiO3 (estructura romboédrica a temperatura ambiente) y BaTiO3 (estructura tetragonal a temperatura ambiente) causa una transición de fase morfotrópica alrededor de ciertas composiciones. Como consecuencia de la coexistencia de ambas fases, el campo coercitivo de la solución sólida disminuye con respecto al BNT [9]. En estas soluciones sólidas se pueden obtener excelentes características de almacenamiento de energía y electrodeformación mediante la introducción de aditivos en la solución sólida BNT-BT. Los aditivos aumentan el desorden composicional que induce dominios nanopolares discretos y mejora las propiedades relaxoras y ferroeléctricas al reducir el campo coercitivo y la polarización remanente [10]. Por el contrario, el rendimiento de recolección de energía de los materiales piezoeléctricos está fuertemente relacionado con su coeficiente piezoeléctrico (d33) y, en consecuencia, son deseables altos valores de polarización remanente (Pr) [11].En este trabajo, nuestros resultados prueban la estrategia para lograr piezocerámicas sin plomo multifuncionales moduladas mediante modificación composicional mediante el agregado de circonio 0,96(Bi0,5Na0,5)Ti1-xZrxO3-0,06(BaTi1-xZrxO3). Se propuso incorporar ZrO2 en el sistema estudiado, considerando, que en varios estudios sobre piezocerámicos, se lo ha utilizado con éxito para mejorar la capacidad de recolección de energía, reduciendo el campo coercitivo (Ec) y aumentando Pr, la polarización de saturación (Ps), el campo de ruptura (EB) y d33. Los reactivos (Bi2O3, Na2CO3, BaCO3, TiO2 y ZrO2) fueron mezclados en medio alcohólico durante 3 horas en un molino planetario, en diferentes proporciones (x= 0, x= 0.5, x= 1, x= 2, x= 4 %mol), y calcinados a 850 °C por 2 h. Los polvos calcinados se molieron nuevamente por 1,5 h en molino planetario y luego se conformaron pastillas por prensado uniaxial y se sinterizaron a 1150 °C durante 2 horas. La densidad de las muestras sinterizadas fue determinada mediante el método de Arquímedes. Posteriormente, los cerámicos fueron caracterizados mediante Difracción de Rayos X (DRX), Espectroscopía Raman y Microscopía Electrónica de Barrido de emisión de campo (FE-SEM). Las propiedades dieléctricas en el intervalo de frecuencia entre 100 Hz y 10 MHz se midieron en un rango de temperatura entre (30 °C y 500 °C), también se realizaron ciclos de histéresis para evaluar las propiedades ferroeléctricas. Se determinó que el agregado de ZrO2 favorece la estabilización de la estructura tetragonal, incrementa el ordenamiento debido al reemplazo parcial del Ti4+ en el sitio B de la perovkita por un catión de mayor tamaño y, en consecuencia, las propiedades resultantes benefician su utilización para la recolección de energía.