INTRODUCCION

Se conoce mundialmente como tierras raras, también llamados metales especiales, al conjunto de 17 elementos químicos metálicos: el Escandio (número atómico 21), el Itrio (número atómico 39) y el llamado grupo de los lantánidos –Lantano, Cerio, Praseodimio, Neodimio, Prometio, Samario, Europio, Gadolinio, Terbio, Disprosio, Holmio, Erbio, Tulio, Iterbio y Lutecio-, cuyos números atómicos están comprendidos entre 57 y 71.

Aunque el Escandio y el Itrio no forman parte del grupo de los lantánidos del sistema periódico, se comportan físicamente de forma muy similar a éstos. Generalmente se comercializan en forma de polvo y como óxidos metálicos. Se extraen de unos 25 minerales que se encuentran en la naturaleza en cantidades no tan escasas como su nombre da a entender. Sin embargo, este nombre está justificado por la baja concentración en que se suelen encontrar y la consiguiente dificultad para localizarlos en proporciones que permitan su explotación comercial.

La parte "tierra" en el nombre es una denominación antigua de los óxidos. Todos son metales, blandos y de color más o menos plateado. La mayoría se oxidan con mucha facilidad. Son muy buenos conductores de la electricidad y destacan aún más por sus propiedades magnéticas. Variando sus aleaciones, se puede “personalizar” su magnetismo para crear imanes con comportamientos muy específicos. Algunos de estos elementos son fluorescentes y fosforescentes. Y la mayoría se utilizan para fabricar láseres.

Las tierras raras se encuentran dispersas en la corteza terrestre en cantidades insignificantes y son dos los minerales que las contienen en una mayor concentración: la monazita y la bastnazita. Sin embargo, se conocen más de 200 minerales en los que las tierras raras entran en su composición.

La estrecha analogía en el comportamiento químico de las tierras raras hace que el proceso de extracción y posterior separación y purificación, a partir de los diferentes minerales  en los que se encuentran asociados, sea tedioso y complicado (en algunos casos puede implicar más de 1,500 etapas). A pesar de todo esto y por sus excepcionales propiedades ópticas, eléctricas y magnéticas, las tierras raras se han hecho casi insustituibles en la industria actual.

    Las reglas de Hume-Rothery

    Las reglas de Hume-Rothery representan un conjunto de condiciones que deben cumplir las soluciones sólidasmetálicas, para que tenga lugar la miscibilidad total entre las distintos componentes. Dichas reglas establecen que:  

    1.    La diferencia entre los radios atómicos debe ser inferior al 15 por 100.    2.    La electronegatividad (capacidad del átomo para atraer un electrón) debe ser similar.

          3.    Los dos metales deben poseer la misma estructura cristalina.          4.    La valencia con la que actúan debe ser la misma.              Si no se cumple una o más de las reglas de Hume-Rothery, sólo es posible obtener solubilidad parcial.

Los cerámicos PZT

Los cerámicos PZT, disponibles en muchas, son los materiales más ampliamente usados hoy para aplicaciones como actuadores o sensores. La estructura cristalina del PZT es cúbica centrada en las caras (isotrópico) antes de la polarización y después de la polarización exhiben simetría tetragonal (estructura anisotrópica) por abajo de la temperatura de Curie, que es aquella en la cual la estructura cristalina cambia de forma piezoeléctrica (no-simétrica) a no-piezoeléctrica. A esta temperatura los cerámicos PZT pierden las propiedades piezoeléctricas.

Fig. 1. Celda elemental piezoeléctrica; (1) Antesde polarizarse (2) Después de polarizarse.

La razón del comportamiento de dipolo eléctrico es la separación entre los iones de carga positivo y negativo. Una región de dipolos eléctricos con orientación similar es llamada dominio. A los grupos de dipolos con orientación paralela se les llama dominio de Weiss. El dominio de Weiss está orientado aleatoriamente en el grueso del material del PZT, antes de que el tratamiento de polarización sea efectuado. Para este propósito se aplica un campo eléctrico (2000 V/mm) al piezo cerámico (calentado). Con el campo aplicado, el material se expande a lo largo del eje del campo y se contraeperpendicularmente a este eje. Los dipolos eléctricos se alinean y permanecen rígidamentealineados hasta su enfriamiento. El material tiene ahora una polarización permanente (la cual puede ser degradada sí se exceden los límites mecánicos, térmicos y eléctricos del material). Como resultado, hay una distorsión que causa un aumento en las dimensiones alineadas con el campo y unacontracción en los ejes normales al campo. Cuando un voltaje es aplicado a un material piezoeléctrico polarizado, el dominio de Weiss aumenta su alineamiento proporcionalmente al voltaje. El resultado es un cambio en las dimensiones (expansión, contracción) del PZT.

Fig. 2. Dipolos eléctricos en el dominio de Weiss (1) cerámico ferroeléctrico sin polarizar (2)durante y (3) despues de la polarización (cerámicopiezoeléctrico).

La estructura de la Perovskita

La cerámica que muestra propiedades piezoeléctricas pertenece al grupo de materiales ferroeléctricos. Los sistemas actuales se basan casi exclusivamente en el titanato circonato de plomo (PZT); esto quiere decir que consisten en cristales mixtos de circonato de plomo (PbZrO3) y titanato de plomo (PbTiO3). Los componentes piezocerámicos tienen una estructura policristalina que comprende numerosos cristalitos (dominios), cada uno de los cuales consisten en una pluralidad de células elementales. Las células elementales de estas cerámicas ferroeléctricas muestran una estructura cristalina de perovskita, lo cual se puede describir generalmente mediante la fórmula estructural A2+B4+O3

2-.

Diagrama esquemático de la estructura de perovskita ideal, sin tener en cuenta las distorsiones debidas a la polarización espontánea por debajo de la temperatura Curie. El catión bivalente se localiza en el centro del cubo, mientras que los cationes tetravalentes

forman las esquinas del cubo. Los aniones bivalentes se localizan en el centro del eje de cada cubo en esta ilustración. Respecto al cristal mixto de PZT (titanato circonato de plomo), la fórmula es Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Propiedades piezoeléctricas mediante polarización

Inmediatamente después de sinterizar, los dominios del cuerpo de cerámica (las áreas que consisten en células elementales de dirección uniforme dipolar) muestran una orientación distribuida estadísticamente de forma arbitraria; esto es, el cuerpo macroscópico es isotrópico y no muestra ninguna propiedad piezoeléctrica.

Las cerámicas ferroeléctricas antes, durante y después de la polarización

Estas propiedades piezoeléctricas deben ser originadas por "polarización". En este proceso, el cuerpo cerámico queda expuesto a un intenso campo eléctrico de corriente continua (CC) para quedar alineado en dirección al campo. Éstos mantienen esta orientación en gran proporción, incluso después de que el campo CC haya dejado de aplicarse (polarización remanente), lo cual es una condición necesaria para el comportamiento piezoeléctrico de las cerámicas ferroeléctricas.

Si desea más información sobre los fundamentos de la tecnología piezocerámica, el comportamiento dinámico de la piezocerámica y las modalidades de resonadores piezoeléctricos, le recomendamos que consulte nuestro folleto "Cerámica de Alto Rendimiento en Piezoaplicaciones" y el suplemento "Activadores Monolíticos de Multicapa -Operación y Aplicaciones".

El proceso sol-gel permite la fabricación de materiales amorfos y policristalinos con características especiales en su composición y propiedades. Su utilidad radica en que necesita menor temperatura en comparación con los métodos tradicionales de fabricación

de vidrios por fusión. El sol-gel es una ruta química que inicia con la síntesis de una suspensión coloidal de partículas sólidas o cúmulos en un líquido (sol) y la hidrólisis y condensación de éste sol para formar un material sólido lleno de solvente (gel). El solvente se le extrae al gel simplemente dejándolo reposar a temperatura ambiente durante un periodo de tiempo llamado envejecimiento, en el cual el gel se encogerá expulsando el solvente y agua residual. Al término del tiempo de envejecimiento, por lo general aún se tienen solventes y agua en el material, además de que el tamaño del poro es considerable. Para solucionar esto, el material se somete a un tratamiento térmico, al final del cual obtendremos nuestro material en forma de monolito o de película delgada.  El proceso sol-gel se esquematiza en la figura 1. 

Justificación

ha habido considerable interés en las soluciones sólidas de zirconato titanato de plomo, (PZT) con un perovskitas ABO3 tipo (A=mono o divalentes, B=tri-ión hexavalente) estructura debido a sus posibles aplicaciones de vanguardia en las áreas de investigación, así como en aplicaciones industriales. una cantidad considerable de obras que se han realizado sobre la cerámica PZT modificados preparado de alta temperatura la técnica de reacción de estado sólido. se comprobó que las propiedades de los materiales piezoeléctricos son muy sensibles a las fluctuaciones composicional, cerca de la frontera de fase morphotropical (MPB), el tamaño de las partículas, el dopaje, la calcinación y sinterización de temperatura.

Dispositivos piezoeléctricos de alta potencia son usualmente conducidos bajo una alta velocidad de vibración con el fin de obtener una alta deformación para transferir energía mecánica. Por lo tanto, mediciones habituales de bajo nivel de vibración no son apropiados para evaluar el rendimiento en condiciones de alta vibración. Por lo tanto, numerosas investigaciones se han centrado en las propiedades de alta potencia de la cerámica piezo.

Titanato zirconato de plomo (soluciones sólidas). Para aplicaciones piezoeléctricas, valores de permisividad0 relativa alta y grandes efectos piezoeléctricos son necesarias. Además, a menudo se agregan dopantes PZT para mejorar las propiedades piezoeléctricas y modificar la microestructura. Hay dos tipos principales de dopantes donantes y dopantes aceptores. Los donantes causa Pb vacantes se sustituyan un mayor balance ion para Pb2+ o para (Ti, Zr)4+. Ejemplos de los dopantes donantes NB5+, TA5+, La3+, W6+, Th4++, B3 y SB5+. Dopantes aceptores causa o vacantes sustituyendo una menor valencia de iones Pb2+ (o para Ti, Zr)4+. Ejemplos de dopante aceptor son Sc3+, Mg2+, K+ o Fe3+.

El material cerámico PZT dopado con elementos de tierras raras causa una combinación de ''hard'' y ''soft'' características piezoeléctrico y se tradujo en aumentos significativos en el QM, d31 y K31. También encontraron que el PZT modificado con tenía mejores características que bajo condiciones de alta potencia adecuada para actuar como un nuevo material de alta potencia. Estudiaron el efecto del sustituyente tierras raras en el PZRT cerámica y se quiere encontrar si Er. Sustituyente podría reducir el Qm y Kp pero mejorado grandemente la propiedad piezoeléctrica de alta potencia.

Objetivo y metas

El principal objetivo de este proyecto es mejorar las propiedades del material PZT mediante la adición de tierras raras Er+3 así mejorando sus propiedades dieléctricas, evitar fugas de energía, aumentar la temperatura de Curie, y saber cómo se modificación el tamaño de grano.

Saber cantidades necesarias de dopaje para las mejores propiedades.

Procesamiento experimental

Los precursores que se utilizan para preparar las muestras fueron PRZT policristalino de alta pureza (99.99%) Pb(CH3COO)2.3H2O, (CH3COO)3R.H2O, Zr(C3H7O)4, y Ti[(CH3)2CHO]4. Ácido acético glacial y agua desionizada fueron utilizadas como disolventes, mientras que el glicol de etileno era usado como un aditivo para obtener un gel monolítica.

Las diferentes composiciones se sintetizaron de la forma:

(PbzEr1−z)(Zr0.60Ti0.40)1−z/4O3

Las composiciones de Erbio para este proyecto fueron (z = 0.1 0.05, 0.10)

Para obtener el polvo el secado de los geles en polvo fueron calcinadas a 550 C durante 15 h para obtener polvos finos y homogéneos. Los polvos fueron en pelotillas prensado en frío a los 6 107 kg/ m2 presión mediante una prensa hidráulica. Las pastillas fueron entonces convencionalmente sinterizado en cuatro diferentes temperaturas, 1000, 1100, 1200 y 1300 C durante 2 h.

Durante la sinterización, polvo PbZrO3 fue utilizada como una fuente de plomo en el crisol para minimizar la volatilización de plomo. Las muestras de cerámica sinterizado de aproximadamente 1 cm de diámetro fueron terreno para dar placas paralelas de 1 mm de grosor, y pulida con pasta de diamante de 1 mm para un acabado liso. La densidad de los pellets sinterizado se midió por el método de Arquímedes y resultó ser de 97-98% de la densidad teórica.

Análisis de rayos X se realizó utilizando cu K radiación (50 kV) en un Shimadzu XRD-6000 diffractometer de rayos x. Microestructuras fueron examinados por TEM (JEOL JEM-2010) equipado con energía dispersiva de análisis de rayos X (EDX).

. Microscopio Electrónico de Barrido de Emisión de Campo Modelo Nova NanoSEM 200  Marca FEI

Características

Resolución de 1nm a 30Kv, 1.5 nm a 10 kV (Bajo vacío).

Voltaje Acelerador: 200 V a 30 kV. Modos de trabajo: Alto vacío para muestras conductoras, Bajo vacío para muestras

semi y no conductoras. Detector de electrones Secuendarios, Retrodispersados y STEM (combina los

elementos de un SEM y un TEM). Sistema EDS.

La caracterización dieléctrica y piezoeléctrica se realizó sobre los discos pulidos hasta alcanzar el plano-paralelismo y electrodados con pasta de plata. El electrodo se sinterizó a750ºC durante 15min. El proceso de polarización se realizó a un campo de 40kV/cm, a una temperatura de 120ºC durante 30 minutos. La determinación de las propiedades dieléctricas y piezoeléctricas se realizó mediante un analizador vectorial de impedancias HP4192A. Las propiedades piezoeléctricas se evaluaron de acuerdo con las normas IEEE (9), empleando el método de resonancia-antiresonancia. La determinación del parámetrod33 se realizó en un equipo Berlincourt piezo-d meter.

Resultados

Se espera que haya modificaciones en la estructura para que así posea menos fuga de corriente del material y que el tamaño de grano se reduzca porque su radio iónico es menor.

Cambio en su constante dieléctrica y permisividad.

Saber si es más rentable utilizar el Erbio que el plomo además el método que se utiliza es más económico.

Semana 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Induccion General Actividad y

Informaciones

Proceso experimental

Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4

Reporte final

Resultados

CRONOGRAMA

BIBIOGRAFIA

1-.Thickness and erbium doping effects on the electrical properties of leadzirconate titanate thin filmsM. Es-Souni*, N. Zhang, S. Iakovlev, C.-H. Solterbeck, A. PiorraInstitute for Materials and Surface Technology (IMST), University of Applied Sciences of Kiel, Grenzstrasse 3, D-24149 Kiel, GermanyReceived 13 August 2002; received in revised form 16 April 2003; accepted 25 April 2003

2.-Effect of (Na and K) ion substitutions on the micro structural,dielectric and electrical properties of PZT CeramicsT.Kamakshia, b, c*, P.S.V.Subba Raoc, T.Prasada RaobaDepartment of Physics, ST.Martin’s engineering college, Dhulapally, Secunderabad,bDepartment of Physics, K.L. University, Vijayawada, India,cDepartment of Physics, Andhra University, Visakhapatnam, India.

3.-Piezoelectric properties of pure and (Nb5+ + Fe3+) doped PZT ceramicsM.M.S. Pojucan a, M.C.C. Santos b, F.R. Pereira a, M.A.S. Pinheiro a, M.C. Andrade a,*a State University of Rio de Janeiro, Polytechnic Institute, IPRJ/UERJ, Nova Friburgo, RJ, 28.630-050, Brazilb Brazilian Navy Research Institute–IPqM, Rio de Janeiro, RJ, 21.931-090, BrazilReceived 10 June 2009; received in revised form 5 Januar

4.-Effect of rare earth (La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Er and Yb) ionsubstitutions on the microstructural and electrical properties ofsol-gel grown PZT ceramicsS.R. Shannigrahia,*, F.E.H. Taya, K. Yaoa, R.N.P. ChoudharybaMicro- and Nano- Systems Cluster, Institute of Materials Research and Engineering, 117602, SingaporebDepartment of Physics, Indian Institute of Technology, Kharagpur 721302, IndiaReceived 20 June 2002; received in revised form 4 April 2003; accepted 27 April 2003

5.-The influence of Yb and Nd substituents on high-power piezoelectricproperties of PMS–PZT ceramicsZhigang Zhu a,b,*, Guorong Li b, Baoshan Li b, Qingrui Yin b, Kyle Jiang ca School of Materials Sciences & Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Chinab The State Key Lab of High Performance Ceramics and Superfine Microstructures, Shanghai Institute of Ceramics,Chinese Academy of Sciences, 1295 Dingxi Road, Shanghai 200050, Chinac MicroEngineering and NanoTechnology Research Centre, School of Engineering, University of Birmingham,Birmingham B15 2TT, United KingdomReceived 20 June 2007; received in revised form 16 July 2007; accepted 7 August 2007Available online 22 September 200

EFECTO DEL DOPANTE DE ERBIO EN LA ESTRUCTURA CERAMICA DEL PZT PARA MEJORAR SUS PROPIEDADES DIELECTRICAS

QUIMICA Y ESTRUCTURA CERAMICA

PROFESOR: DR. MARTÍN PECH CANUL.

ALUMNO: MARCELINO TINOCO MONTES

7 de enero del 2016 Saltillo, Coahuila.