Asignatura :

FÍSICA I

Tema :

Nuevos Materiales y Aplicaciones(Concreto Piezoeléctrico)

Integrantes :

- AGUILAR NÚÑEZ, LUIS- LUGO ZEGARRA, DANIEL- NIETO ZEGARRA, JUAN- ROMERO SALAZAR, PEDRO- SALAZAR VILLANTOY, RUBEN

Profesor :

LUIS FERNANDO REYES HERNANDEZ

2016

ÍNDICE

OBJETIVOS ............................................................................................................................. 2

PRINCIPIO FÍSICO DE PIEZOELECTRICIDAD ................................................................... 2CONCRETO PIEZOELÉCTRICO ...........................................................................................

2Ecuaciones ………………………………………………….……………………………………. 3

Proceso de Fabricación ............................................................................................. 4

APLICACIONES ...................................................................................................................... 5

Actuadores Piezoeléctricos ...................................................................................... 6

Motor Ultrasónico ...................................................................................................... 6

Sensores Basados en cerámicos piezoeléctricos ................................................. 6

Transductor Ultrasónico ........................................................................................... 7

Actuadores y sensores piezoeléctricos amortiguadores de vibraciones activo .

……………………………………………………………………………………………… 7USO DE MATERIAL PIEZOELÉCTRICO EN EL CONCRETO (CEMENTO) ...................... 8

Basado en el dominio de impedancia ...................................................................... 8

Basado en características de la vibración ............................................................. 8

Basado en la onda Lamb ........................................................................................... 9

Estudio de Cerámica piezoeléctrica en material compuesto a base de cemento.. Experimento ................................................................................................................

9Conclusiones del Estudio de Cerámica piezoeléctrica en material compuesto

a.. base de cemento .......................................................................................................10

CONCLUSIONES DEL TRABAJO....................................................................................... 11

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................... 12

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PRINCIPIO FÍSICO DE PIEZOELECTRICIDAD

1) OBJETIVOS

✓ Entender el principio físico de Piezoelectricidad✓ Conocer los materiales basados que presentan este efecto✓ Conocer qué es y en que se puede utilizar el concreto piezoeléctrico

2) PRINCIPIO FÍSICO DE PIEZOELECTRICIDAD

La piezoelectricidad es la capacidad de algunos materiales cristalinos para generar una carga eléctrica de forma proporcional a la fuerza mecánica que se le aplique. Este efecto es denominado el Efecto Piezoeléctrico Directo y fue descubierto por los hermanos Pierre y Jacques Curie en 1880. Asimismo, se identificó que los materiales que tenían esta característica también presentaban otro efecto, el denominado Efecto Piezoeléctrico Inverso, el cual es una deformación geométrica proporcional al voltaje que se aplica al objeto. Como ejemplo de los cristales que presentan este efecto podemos encontrar: la turmalina, el cuarzo y la sal de Rochelle [1].

Turmalina Cuarzo Sal de Rochelle

Fig.1 Cristales que presentan el efecto piezoeléctrico inverso

Como dato adicional, los cristales naturales que presentan el efecto lo presentan de manera muy baja, no soy muy resistentes, son sensibles a la humedad, etc. Por ello, se desarrolló cristales ferroeléctricos eléctricamente polarizados tales como el Titanato de Bario (BaTiO3) o el Zirconato Titanato de Plomo (PZT) que presentan características superiores [1].

3) CONCRETO PIEZOELÉCTRICO

Los edificios o cualquier estructura civil suelen deteriorarse con el paso del tiempo o debido a otros factores, ya sea el medio ambiente en donde se encuentre, el uso excesivo del mismo o debido a un mantenimiento poco frecuente y deficiente. Por ello, se vio necesario monitorear el estado de las estructuras, ya que una falla de la mismas causa estragos económicos o pérdida de vidas humanas. Así, la mayoría de

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estructuras suelen ser grandes y para revisar el estado de la mismas lo que se tenía que hacer era una inspección visual para determinar su estado; no obstante, esto suele tomar un tiempo considerable, ser tedioso y peor aún poco confiable. Por esta razón, se ideó una forma de controlar el estado de la estructura de forma automática por medio de un sensor, este sensor estaría basado en el principio físico de piezoelectricidad ya que es el mecanismo más eficaz para aplicar en estructuras inteligentes. No obstante, como se indicó anteriormente los componentes piezoeléctricos no están diseñados para ser usados en la construcción mientras que el concreto sí. Por ello, se estudió y desarrolló una unión de ambos: el concreto piezoeléctrico 0-3 por parte de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong [3].

Ecuaciones

Para materiales de tipo “Thickness Poling” [4]

Para materiales de tipo “In Plane Poling” [4]

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Proceso de Fabricación

La fabricación de cerámicas piezoeléctricas es muy similar sea cual sea la cerámica que se quiere obtener. El proceso consta de los siguientes pasos:

Fig.2 Métodos y técnicas de los procesos de fabricación de piezocerámica

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Fig.3 Las cerámicas ferroeléctricas antes, durante y después de la polarización

Fig.4 Ejemplos de concreto piezoeléctrico: El izquierdo previo al revestimiento con pintura de plata, el del centro con revestimiento de pintura de plata y el de la derecha luego del pulido.

4) APLICACIONES

Desde su descubrimiento el efecto de piezoelectricidad ha encontrado muchas aplicaciones útiles, tales como la producción y detección de sonido, la generación de altas tensiones y frecuencia, micro balances y enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. También es la base de un número de técnicas instrumentales científicas con resolución atómica como la microscopía de sonda de barrido, y todos los días se utiliza como activador de la fuente de encendido para encendedores de cigarrillos y parrillas en estufas de gas. Sin embargo, los cristales piezoeléctricos individuales tradicionales sufren de las desventajas tales como el débil efecto piezoeléctrico, la baja resistencia mecánica, sensibilidad a la humedad, y un muy estrecho intervalo de temperatura de operación. En comparación con los cristales individuales tradicionales, cerámicas Ferroeléctricas Policristalinas eléctricamente polarizadas, tales como Titanato de Bario (BaTiO3) y Titanato de Circonio Plomo (PZT), ofrecen las ventajas de grandes y estables efectos piezoeléctricos, alta resistencia y facilidad de fabricación en general, especialmente en formas complejas y grandes piezas. Hoy en día, se convierten en los materiales piezoeléctricos dominantes en los campos de aplicaciones piezoeléctricas tales como actuadores, sensores y

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transductores en sistemas y estructuras inteligentes, que dominan el mercado mundial de hoy [1].

Los materiales piezoeléctricos pueden proporcionar acoplamiento entre la energía eléctrica y mecánica y por lo tanto se han utilizado ampliamente en una variedad de dispositivos electromecánicos. Ambos efectos piezoeléctricos directo e inverso pueden ser utilizados para aplicaciones de cerámicas piezoeléctricas. Los dispositivos piezoeléctricos se pueden dividir en cuatro categorías generales: generadores, sensores, actuadores y transductores dependiendo el tipo de efecto físico utilizado. Para todas estas funcionalidades básicas, diferentes diseños están disponibles [1].

Actuadores Piezoeléctricos

Un actuador piezoeléctrico es un dispositivo que produce movimiento (cambios de posición extremadamente finos) aprovechando el fenómeno físico de la piezoelectricidad, donde los pequeños cambios en el voltaje de operación son convertidos en suaves movimientos [1].

Fig.5 Modelos variados de actuadores piezoeléctricos

Motor ultrasónico

Un motor ultrasónico es un ejemplo de un actuador piezoeléctrico que utiliza la vibración resonante. Se basa en la conversión de energía eléctrica a energía mecánica (ya sea de rotación o traslación) que se realiza a través del efecto piezoeléctrico inverso de las electrocerámicas que llevan incorporadas estos motores. Estos son muy usados en la robótica, protésica, industria del automóvil o en aplicaciones aeroespaciales [1].

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Fig.6 Estructura de un motor piezoeléctrico

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Sensores basados en cerámicos piezoeléctricos

Un sensor cerámico piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir la presión, la aceleración, la tensión o fuerza mediante la conversión a una señal eléctrica. El principio de funcionamiento de un sensor cerámico piezoeléctrico es que una dimensión física, transformado en una fuerza, actúa sobre dos caras opuestas del elemento de detección. Dependiendo del diseño de un sensor, diferentes "modos" para cargar el elemento piezoeléctrico se puede utilizar: longitudinal, transversal y de cizallamiento. Los sensores piezoeléctricos han demostrado ser herramientas versátiles para la medición de diversos procesos. Se utilizan para el control de calidad, control de procesos y desarrollo de procesos en muchas industrias diferentes [1].

Fig.7 Componentes de un sensor piezoeléctrico

Transductor ultrasónicoLos requerimientos de rendimiento del transductor son cada vez más exigentes debido a una amplia gama de técnicas de imagen, como los modos de flujo y armónicas, que ahora se integran en los sistemas ecográficos [1].

Fig.8 Transductor ultrasónico piezoeléctrico

Actuadores y sensores piezoeléctricos amortiguadores de vibraciones activoSon también útiles para el control activo de vibraciones. Los investigadores de la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania han estado investigando formas de reducir las vibraciones mediante elementos piezoeléctricos. Cuando el material se

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dobla por una vibración en una dirección, el sistema responde a la curva y envía energía eléctrica al elemento piezoeléctrico para doblar en la otra dirección [1].

Fig.9 Soporte antivibratorio redondo / amortiguador de vibraciones

USO DE MATERIAL PIEZOELÉCTRICO EN EL CONCRETO (CEMENTO)

En los últimos años , los materiales piezoeléctricos se han aplicado con éxito para el monitoreo de la salud de estructuras de materiales compuestos, estructuras metálicas y estructuras de hormigón. De acuerdo con el principio del método de ensayo , este monitoreo basado en piezoeléctricos se pueden clasificar en tres categorías principales: (a ) basado en el dominio de impedancia , ( b ) basado en características de la vibración y (c ) basado en la onda Lamb [2].

Basado en el dominio de impedanciaes un método de detección de daño estructural en tiempo real. Debido a la propiedad de acoplamiento electromecánico de materiales piezoeléctricos, la impedancia eléctrica medida está directamente relacionada con la impedancia mecánica, y también se verá afectado por la presencia de daños [2].

Basado en características de la vibración

Se utiliza el transductor piezoeléctrico para generar cierta ondas de propagación en la estructura y comparar los parámetros de vibración característica-estructurales (forma modal, la frecuencia modelo, amortiguación, rigidez, etc.) o las características de curvas de respuesta de las vibraciones (respuesta en frecuencia, tiempo de reacción, la función de transferencia, etc.) con los del estado de salud para detectar daños.Una grieta o daño en el interior de la estructura actúa como un alivio de la tensión durante el trayecto de propagación de la onda. La amplitud de la onda y la energía de transmisión se reducirán debido a la existencia de una grieta. La disminución en el valor de la energía de transmisión estará en proporción con el grado de los daños en el interior [2].

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Fig.10 Sistema de sensor activo

Basado en la onda Lamb

Las ondas Lamb son las más comúnmente utilizadas para el monitoreo de la salud de las estructuras en forma de placa. La propagación de una onda Lamb depende en gran medida de la frecuencia seleccionada y el espesor del material.El concreto reforzado con acero (RC) es ampliamente utilizado en la infraestructura civil. Las estructuras de acero de hormigón armado (RC) por lo general sirven bajo ambientes que degradan las estructuras. Wang et Al. estudió el monitoreo de la salud basado en onda Lamb en ambos compuestos reforzados con fibras de acero y hormigón armado. La red de sensores piezoeléctricos se instala en barras de refuerzo seleccionadas en áreas tales como la cubierta, las columnas de puentes, y la zona del pie de las columnas con el propósito del monitoreo. Los resultados experimentales mostraron que grietas o daños por desunión en las estructuras RC pueden ser detectados por el sistema de detección activa incorporada propuesto [2].

Fig.11 Ubicación de agregados inteligentes

Estudio de Cerámica piezoeléctrica en material compuesto a base de cemento

En este estudio, un nuevo tipo de compuesto inteligente ha sido desarrollado como aplicación de detección de una estructura controlada, la cual incorpora cerámica piezoeléctrica en material compuesto a base de cemento; y las potenciales

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aplicaciones de sensores de este tipo de compuesto en ingeniería civil se investigaron experimentalmente [3].

Experimento

Polvos de cerámica piezoeléctrica Titanato zirconato de plomo (PZT) y el cemento se utilizaron para preparar compuesto piezoeléctrico a base de cemento.Polvo de cerámica piezoeléctrica y cemento blanco se mezclan juntos para hacer 0-3 tipo de compuesto de cerámica piezoeléctrica a base de cemento. Para mejorar la fluidez de la mezcla fresca, se utilizó un aditivo reductor de agua de alto rango. Usando una mezcla normal (duración de mezcla es de 2 minutos), el polvo de cerámica piezoeléctrica se podría incorporar en el material compuesto con un material cerámico diferente: cemento. Después, la mezcla se compactó en el 13 x 3 x 3 mm (0,5122 x 0,5122 x 0,1182 in.) De molde. Después de la fundición, las muestras se pusieron en la habitación de curado con una temperatura de 65 ° C (149 ° F) y humedad relativa de 98% durante 24 horas. El procedimiento de polarización se llevó a cabo en un baño de aceite de silicona con una temperatura de 160 ° C (320 ° F). Después de la polarización, las muestras fueron sumergidas en aceite de silicona en frío para enfriar rápidamente para mantener el estado de polarización [3].

Conclusiones del Estudio de Cerámica piezoeléctrica en material compuesto a base de cemento [3]

En este estudio, se investigó la respuesta mecánico-eléctrica de un material compuesto de cerámica piezoeléctrica a base de cemento. Como un sensor inteligente lineal típica, posee un excelente rendimiento dinámico a una carga mecánica. Por otra parte, se exploran sus aplicaciones en la ingeniería civil. Las siguientes conclusiones se pueden extraer:

1. La respuesta mecánico-eléctrica del material compuesto de cerámica piezoeléctrica a base de cemento tiene un comportamiento similar, con independencia del nivel medio de carga. Este resultado es consistente con la ecuación constitutiva lineal.

2. Los resultados experimentales muestran que la señal de salida eléctrica puede reproducir la señal de entrada mecánica con una forma de onda bastante complejo sin ninguna distorsión visible.

3. Medición con múltiples entradas de la función indica que el compuesto de cerámica piezoeléctrica a base de cemento tiene un buen rendimiento para señales dinámicas en el rango de frecuencia para aplicaciones generales de ingeniería civil.

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4. Este estudio muestra que el material compuesto piezoeléctrico a base de cemento es adecuado para aplicación potencial como un sensor mecánico dinámico con excelente respuesta dinámica y alta estabilidad estática.

5. Los resultados experimentales de las prestaciones del sensor en el haz, el chasis y pruebas de simulación muestran que el transporte de la producción eléctrica del sensor inteligente piezoeléctrico a base de cemento puede reproducir la entrada mecánica directa. Por otra parte, el sistema de sensores satisface los requisitos de la mecánica estructural y exhibe un excelente potencial aplicación en la ingeniería civil.

5) CONCLUSIONES DEL TRABAJO

- Si la propiedad de algunos materiales de presentar una carga eléctrica proporcional a la deformación mecánica a que es sometida (piezoelectricidad), se podría proporcionar a los demás materiales de construcción e industria, se tendrían construcciones y máquinas más seguras y duraderas, debido a un mejor monitoreo y control de estos, basados en señales eléctricas y la resistencia del material a estas.

- Los actuadores y sensores piezoeléctricos amortiguadores de vibraciones aplicados en la construcción civil se pueden complementarse con el concreto piezoeléctrico, de manera que las desviaciones en la estructura íntima del material se puedan monitorear y controlar hasta cierto nivel, por medio de señales eléctricas para “reparar” el material piezoeléctrico; de esta manera se prolongará la vida útil de las estructuras.

- Con la aplicación del concreto piezoeléctrico, sensores y actuadores, en zonas de sismos, se tendrá grandes estructuras y edificios mucho más seguros; debido al completo análisis que se podrá hacer para confirmar la real gravedad de daños en el concreto, evitando pérdidas humanas posteriores, por derrumbes de edificios o estructuras que quedaron deterioradas.

- La ciencia cada vez desarrolla e integra más los distintos materiales, proporcionándoles “sensibilidad “para obtener un óptimo control sobre estos. La piezoelectricidad es la base del gran cambio en la ingeniería de materiales.

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6) REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Nelson, Wesley G. (2010) Piezoelectric Materials : Structure, Properties and Applications. Hauppauge. pp. 1, 22-32. New York: Nova Science Publishers, Inc.

[2] Shi, Caijun (2008) High-Performance Construction Materials: Science And Applications, pp. 414-421. Singapore: World Scientific & Imperial College Press.

[3] Dong, Biqin; Xing, Feng; Li, Zongjin (2011) Cement-Based Piezoelectric Ceramic Composite and Its Sensor Applications in Civil Engineering, pp. 543-549. En: ACI Materials Journal, 108.5, september-october.

[4] Yang, Jiashi (2006) Mechanics of Piezoelectric Structures, pp. 50, 53. New York: World Scientific.

Imágenes:

United States Geological Survey, Mineral Information Institute (2013), Proyecto Minerals in Your World (consulta: 3 de febrero de 2016) (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d1/TourmalineUSGOV.jpg)

CeramTec Ibérica, The Ceramic Experts (s.f.), Conceptos básicos de la tecnología piezocerámica (consulta: 4 de febrero de 2016)(http://www.ceramtec.es/_img/content/werkstoffe.piezokeramik.fertigungsprozess.1.es.jpghttp://www.ceramtec.es/_img/content/werkstoffe.piezokeramik.grundlagen.polarisation.jpg)

JJ Harrison (2009), Cristal de Cuarzo proveniente del Tíbet (consulta: 3 de febrero de 2016) (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quartz,_Tibet.jpg)

Tártaros Gonzalo Castelló (2015) (consulta: 3 de febrero de 2016) (http://tartaric.com/wp-content/uploads/2015/03/sal-rochelle.png)

PI Piezo Technology (2014), Catalog: Piezoelectric Actuators (consulta: 3 de febrero de 2016) (http://www.piceramic.com/download/CAT128E_R2_Piezoelectric_Actuators.pdf).

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PI Piezo Technology (2014), Catalog: PI Piezoelectric Ceramic Products (consulta: 3 de febrero de 2016) (http://www.piceramic.com/download/PI_Piezoelectric_Ceramic_Products_CAT125E.pdf).

TARUN, Agarwal (s.f.) Piezoelectric Ultrasonic Motor Technology Working and Applications (consulta: 3 de febrero de 2016) (https://www.elprocus.com/piezoelectric-ultrasonic-motor-technology/). YINGXIANG, Liu; DONGMEI, Xu; ZHAOYANG, Yu; JIPENG, Yan; XIAOHUI,Yang y WEISHAN,Chen (2015) A Novel Rotary Piezoelectric Motor Using First BendingHybrid Transducers (consulta: 3 de febrero de 2016) (http://www.mdpi.com/2076-3417/5/3/472).

UCE ULTRASONIC Co., Ltd (s.f.), Catalog: PI Piezoelectric Ceramic Products (consulta: 3 de febrero de 2016) (http://www.ultra-piezo.com/piezoeletric/119.html). TMC (2014), STACIS 2100 Active Piezoelectric Vibration Cancellation System (consulta: 3 de febrero de 2016) (http://www.techmfg.com/products/advanced/stacis2100-1.htm).

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