1

Similar a la conductividad térmica. En este caso los portadores son: electrón, huecos, iones

Metales: Siempre hay electrones en la banda de conducciónSemiconductores: Banda de conducción vacía. Depende de la temperatura y composiciónAislantes: El gap energético entre bandas es muy grande

Propiedades Eléctricas: Clasificación

2

Portadores no electrones sino iónes: Especialmente en óxidos y haluros. Movimiento de los iones, si se supera la energía de potencial (u).

Propiedades Eléctricas: Conductividad

Los materiales cerámicos cubren un rango de conductividades electricas

de 20 ordenes de magnitud

Los semiconductores pueden doparse obteniendose cambios

drasticos de conductividad

3

Características requeridas:Elevada resistividad eléctrica (ρ ≥ 1012Ωcm) y resist. dieléctrica (DS ≥ 5.0 kV/mm)Constante dieléctrica pequeña (k’ ≤ 30)Libre de impurezas, estabilidad químicaElevada conductividad térmica (disipación del calor)Resistencia mecánica Protección ambiental (resistente a cambios de humedad y temperatura)

Clasificación:• Vidrios (silicatos, boratos, fosfatos, germanatos) Tg (ºC), α (K-1) importantes• Porcelanas (≥10%glass)

Triaxial 40-60wt% Kaolinita+ 20-35wt% feldespato + 20-30wt% SiO2

No-feldespáticas: esteatitas, forsteritas, cordieritas, espinelas, mullitas• Cerámicas densas: óxidos: (Al2O3, BeO, ZrO2…) no óxidos (AlN, BN,…) Cuando se requieren elevadas propiedades dieléctricas hay que minimizar la cantidad de fase vítrea

Propiedades Eléctricas: Conductividad. Aislantes

4

Propiedades Eléctricas: Conductividad. Aislantes

Silicio: facil de oxidarCIRCUITOS INTEGRADOS

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Propiedades Eléctricas: Aislantes. Prop. Termomec.

Resistencia mecánica a elevada T

Resistencia al choque térmico

Materiales compuestos, uniones

o recubrimientos: dilatación térmica

diferencial

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Substratos cerámicos: importante que la expansión térmica sea similar a la del Si. Ventaja de los cerámicos (Al2O3, AlN) frente a los plásticos y vidrios (∆α)250ºC: plasticos y vidrios no. Alumina más inerte y mejor conductividad térmica.

Líneas de alta tensión: resistencia mecánica (peso de cables HT), baja absorción agua (porcelanas: vitrificación). Arco en presencia de humedad.

Bujías de encendido: Alúmina (1-3 KV, 10.4 MPa, 2400ºC, 50 cps)

Propiedades Eléctricas: Aislantes. Ejemplos

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Materiales con gap de energíasentre la banda llena y la bandade conducción pequeños.

Efecto TemperaturaNiO, Fe2O3, CoO: Tª ambiente10-16 (Ω·cm)-1, 1000 K 10-4 – 10-

2 (Ω·cm)-1

Adición de dopantes: falta de estequiometría

Propiedades semiconductoras. TiO2, ZnO, Al2O3, SiC, BaTiO3.

Propiedades Eléctricas: Semiconductores

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•Fenómeno descubierto en 1921. Polarización eléctrica espontánea por la aplicación de un campo eléctrico por debajo de la Temperatura de Curie•La polarización se puede producir, en general, por la aplicación de un campo eléctrico (condensadores), tensión mecánica (piezoeléctricos), temperatura (piroeléctricos), luz (electroópticos) •Estos efectos se producen en los cristales ferroelectricos. ANISOTROPOS. No presentan centro de simetría

Prop. Eléctricas: Semiconductores. Polarización

BaTiO3: tetragonal ↔cúbica

Temperatura de Curie

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Existen materiales cerámicos con elevada constante dieléctrica

t/)A'K(C 0ε=

Se necesita: K’ y RD elevadasÁrea elevada y espesor

pequeño (multicapas: en serie)

Factor de disipación pequeño

Estabilidad térmica

Prop. Eléctricas: SC. Condensadores

1910: 40 cm

1943: 9 cm

1970: <1cm

microchips

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Condensadores de BaTiO3

Condensador cerámico básico (-55 + 125ºC) TC=130ºCAditivosSe produce una reducción de la variación de C con la temperatura y un aumento de K’ mediante:

Formación de Soluciones sólidas con el BaTiO3: Reducción tamaño de grano

Prop. Eléctricas: SC Condensadores

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Curie 1880. Conversión presión-electricidadEfecto directo: la polarización eléctrica se genera por una tensión mecánicaEfecto indirecto: la aplicación de un campo eléctrico produce movimiento mecánico (vibración)

Evolución Piezoeléctricos cerámicos1900.- Vibración del cuarzo por ondas de radio. Sintonización1930.- Micrófonos. monocristal piezoeléctrico (sal de Rochelle) está conectado a un diafragma que vibra a la misma frecuencia que las ondas del sonido. El piezoeléctrico produce la señal eléctrica1941.- BaTiO3 Primer piezoeléctrico policristalino. Primera aplicación: SONAR para pesca1954.- Titanato circonato de plomo (PZT), Pb(Zr,Ti)O3 Material con mayor coeficiente termomecánico que BaTiO3

Prop. Eléctricas: SC Cerámicas piezoeléctricas

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Comparación PZT – BaTiO3

1.- Mayor coeficiente electromecánico2.- Mayor T. Curie (490ºC) Aplicación mayores temperaturas3.- Fácilmente polarizable4.- Amplio rango de ctes dieléctricas5.- Fácil de sinterizar6.- Forma distintas soluciones sólidas / propiedades

Aditivos-Dopantes1.- Donores: Nb+5 (Zr+4) La+3 (Pb+2). PLZT Resistividad ↑, cte dieléctrica↑ → hidrófonos, altavoces (Baja freq.)2.- Aceptores: Fe+3 (Zr+4) cte dieléctrica↓, pérdidas dieléctricas↓ →sonar, transductores ultrasonidos (Alta Freq.)3.- Isovalentes: Ba+2, Sr+2 (Pb+2); Sn+4 (Zr+4) TC↓.

Prop. Eléctricas: SC Cerámicas piezoeléctricas

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Polarización eléctrica por un cambio pequeño de temperatura

Triglycin Sulfate (TGS)Aplicaciones limitadas por su solubilidad en agua y su baja TC

LiTaO3Gran estabilidad (-55-100ºC). Sensor infrarrojo en cocinas, alarma intrusosCamaras IRPb(Zr,Ti)O3 PZTInsolubles en agua, TC↑ Depende de la composición. Puertas automáticas

TP ∆=∆ λ

Prop. Eléctricas: SC Cerámicas piroeléctricas

vC'kesprestacion λ

=

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Ferroeléctricos transparentes, se polarizan con la luz Dependiendo del tamaño de grano se puede modificar:

Capacidad de dispersión de la luz (G.S >2 micras)Birrefringencia óptica (retraso fase óptica) (G.S< 2 micras)

PLZT, circonato-titanato de plomo modificado con lantano. Reducción de la anisotropía y eliminación de porosidad (Hot Pressing en oxígeno, co-precipitación polvos) respecto a PZT

AplicacionesOptical Shutter: optoelectrónica. Mensajes codificados

Gafas protectoras(Thermal/Flashblindnessgoggles)+FOTODIODO (X1000 OJO)

Tiempo respuesta:1/200,000,000 s

Prop. Eléctricas: SC Cerámicas ferroeléctricas

Celula Kerr

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2.3.3.6 TermistoresSensores de temperatura, negativos (NTC) o positivos (PTC)

NTCMedidas precisas de temperaturas, control de la temperatura en ordenadores, automoción, medicina…En función del rango de temperaturas: Termistores de baja, media y alta temperatura. (Interruptor, calentador, sensor)

Prop. Eléctricas: SC Termistores

Resistencia Pt

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Relación Resistencia Temperatura:

B = factor beta =cte

=kTQRR ´exp

−=0

011expTT

BRR

−= 2TBα

dTdR

R1

=α

Relación Corriente-Tensión

K= Cte disipación térmica

K Depende de la atmósfera y dimensiones del termistor → sensor vacío, hipsómetro

Tiempo de respuesta del termistor

τ = cte de tiempo térmica = Cp/KCp= capacidad calorífica

−−−+=

τtTTTT exp1)( 010

Prop. Eléctricas: SC Termistores NTC

TKVIPot ∆==

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Propiedades Fundamentales

Constante B (α) ↑, dopantes y tamaño grano ↓

Coeficiente disipación térmico K↑ → area superficial ↑

Constante de tiempo τ ↓ → Cp↓ → volumen ↓

Termistores pequeños y gran área superficial

Prop. Eléctricas SC: Termistores

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PTCEfecto PTC en BaTiO3 con estructura perovskita:

Parámetros Importantes:

TC transformación tetragonal → cúbica (perovskita) → dipolos eléctricos

Pendiente (dρ/ρodT) a T>TC

TB Transformación ortorrómbica tetragonal

Formación de barreras de potencial en juntas de grano

Prop. Eléctricas SC: Termistores PTC

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Influencia porosidadLa magnitud del efecto PTC depende de la densidad de sinterización

Influencia estequiometríaExceso de BaO (<3mol%) tamaño de grano↓

Exceso TiO2 (>2 mol%) tamaño grano ↑↑↑

AplicacionesSensores. Sistemas de control de temperatura

Prop. Eléctricas SC: Termistores

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Cerámicas basadas en ZnO con un comportamiento corriente-tensión no lineal. Barreras de potencial en las juntas de grano (semiconductores)

Protectores de frente a sobretensiones en circuitos y líneas de alta tensión

Curva tensión-corriente característica

Prop. Eléctricas SC: Varistores

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Fabricación y microestructuraPrincipal constituyente ZnO (>80mol%) semiconductor(ρ ≤ 1 Ω.cm)

Aditivos: Bi2O3, Sb2O3, MnO, Co3O4, B2O3, Cr2O3…

Desempeñan distintas funciones:Aumentan la no linealidad Bi2O3

Facilitan su densificación: Bi2O3, Sb2O3, …Limitan crecimiento grano: Sb2O3

Estabilidad, uniformidad de la conducción, disipación de potencia…

Sinterización aire 1200ºCGranos redondeados de ZnOCristales poligonales espinela (Zn7Sb2O12)Fase intergranular rica en BiTamaño de grano ~10 µm

Prop. Eléctricas SC: Varistores

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Efecto Varistor en las juntas de grano

Se puede considerar que el responsable del efecto varistor es el Bi2O3

Existe un gradiente químico del Bi en las juntas de granoLa incorporación de los aditivos en las juntas de grano originan una doble capa de depleción.

Prop. Eléctricas SC: Varistores

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Aplicaciones

Dispositivos para protección frente a transitorios eléctricos enaparatos electrónicos

Protecciones de sistemas de distribución y transmisión de potencia eléctrica

Prop. Eléctricas SC: Varistores

40-50 mm

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Cambio de resistividad eléctrica cuando el gas se adsorbe en la superficie del sensorGases CombustiblesSnO2-ZnO (thin films) con activadores (Pt, Pd). Resistividad reacción química gases con el oxígeno superficie

Ag-SnO2; PdCl-ZnO sensores de H2

V-Mo-Al2O3 + ZnO hidrocarburos halogenados

NiO-SiO2-Al2O3 + ZnO C2H5OHLnMO3 (Ln= La-Gd, M=Cr, Fe, Co) alcoholes.ZrO2 - gases escape motores (conductor iónico).

HumedadConductores iónicos: cerámicas porosas MgCr2O4-TiO2; TiO2-V2O5; ZnCr2O4-LiZnVO4, portadores: H+ disociado del agua

Conductores electrónicos: óxidos estructura perovskita, ZrO2-MgO. Electrones transferidos por las moléculas de agua quemiabsorbida.

Prop. Eléctricas SC: Sensores de gases

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Clasificación según los portadores y la magnitud de la conductividad

Conductores eléctricosÓxidos con estructura perovskita (ABO3). ReO3, WO3, LaCoO3.Monóxidos (TiO…), dióxidos (VO2, ReO2…), sesquióxidos (Ti2O3, V2O3)

Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras

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SuperconductoresTransición comportamiento metálico-superconductor por debajo una temperatura. Conducción sin pérdidas. Cupratos.1911 Mercurio T = 4 K1970 Nb3Ge T = 23 K1986 La2-xBaxCu2O4 T = 40 K1987 YBaCu3O7 T = 90 K1990 TlmCan-1Ba2CunO2n+m+2

BimCan-1Sr2CunO2n+m+2

Aplicaciones:Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)Cables de transmisión de potencia

T = 90-125 K

Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras

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Conductores iónicosMateriales con elevada conductividad eléctrica por movimiento iónico, (Cationes o Aniones)Conductores catiónicosLi+ : Li4ZrO4, Li2O, Li5AlO4 3·10-4 (Ω·cm)-1 Baterias.Na+: Nasicon (Na3Zr2PSi2O12) 2.3·10-4 (Ω·cm)-1. Procesos electroquímicos

β−Al2O3 (Na2O. 9Al2O3). Sensores Metales fundidos H+: HxWO3, HxMoO3; H3O+,

Conductores aniónicosF-: estructuras fluorita: PbSnF4, HN4Sn2F5

Ion Oxígeno: ZrO2, CeO2, ThO2, Bi2O3 (estructura fluorita)

Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras

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El más utilizado es la circonia (ZrO2) estabilizada con CaO ó Y2O3

Conducción: difusión de O-2 a través de la red. Es función de T y PO2

Sensores en motores de automóvil para monitorizar mezclas air-fuel, eficiencia combustión

Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras

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Fuell CellsConversión E química E eléctrica

Cerámicas ion-conductoras bajo evaluación: ZrO2 estabilizada

Dos compartimentos: Fuel (H2, CO) - Oxidante (aire, oxígeno)

T = 1000 C

Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras

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Interacción de las cerámicas con la luz: Comportamiento ÓpticoAbsorción; Trasnparencia; Color, Emisión, Refracción

Absorción y TransparenciaEn general las cerámicas iónicas son transparentes, mientras que las covalentes varían su nivel de transmisión óptica.Importante: Impurezas, porosidad, juntas de granoAlúmina policristalina (>1micra) translucidaAlúmina monocristal (corindón): transparenteFibra óptica

Transparencia en función de la longitud de onda:

Propiedades Opticas

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Vidrios y cerámicas iónicas: rango visible (0.4-0.7 µm)MgO, Al2O3, SiO2 fundida: ultravioleta (0.2-0.4 µm)

parte del infrarrojo (0.7-3.0 µm)radar (>1000 µm)

MgO, ZnS, ZnSe: infrarrojo y radar

Ventanas Electromagnéticas: Aviones: Transparentes a las comunicaciones, luz visibleMisiles : Radome, cubierta de la punta del misil,→ sistema de guía Space Shuttle, transparentes comunicacionesradio, microondas, luz visible, pero resistentesal choque térmico

Propiedades Opticas: Transparencia

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ColorAbsorción de la parte estrecha de la región visible. Elementos de transición: Cr+2 (azul), Cr+3 (verde), Cu+2 (azul verdoso), Cu+ (incoloro)

Pigmentos cerámicos, esmaltes en porcelanas…

Coloración de las piedras preciosas de circonia cúbica:V (verde); Ce (amarillo-naranja-rojo); Fe (amarillo); Co (lila); Eu (rosa)

Propiedades Opticas

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FosforescenciaEmisión de la luz por su excitación con la fuente de energía apropiada.Luces Fluorescentes, Fosfato halogenado (Ca5(PO4)3(Cl,F) o Sr5(PO4)3(Cl,F) dopado con Sb, Mn) Emisión de luz por efecto de la radiación ultravioleta del gas (Hg) interior.Pantallas de TV, varios compuestos de fósforo para TV color Osciloscopios, electroluminiscentesLáserAl2O3 dopado con Cr+3 (laser rubí) λ = 0.694 µmYAG láser: Y3Al5O12 dopado con Nd+3 λ = 1.06 µmDimensiones: barra cilíndrica φ = 0.3-1.5 cm con los extremos pulidos λ/10 (λ=0.59 µm)

Propiedades Opticas

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Materiales ferro y ferri-magnéticos que presentan el efecto de histéresis. Metales de transición, tierras raras y cerámicos.Ferritas:Desde 1940. Un gran número de composiciones y estructuras cristalinas:

1.- Todos son óxidos2.- El componente mayoritario es Fe2O3

3.- Presentan inducción magnética espontánea en ausencia de un campo magnético

Ferritas blandas: imanes temporalesFerritas duras: imanes permanentes

Elevada resistividad eléctrica

Propiedades Magnéticas

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2.3.6 Propiedades Magnéticas

Existen tres tipos de acuerdo con su estructura cristalina: Cúbicas (ferritas blandas: espinela y granate) hexagonales (ferritas duras)

2.3.6.1 Ferritas espinelaEstructura AB2O4 (MgAl2O4). Anisotropía. Materiales magnetoestrictivos (similar a un piezoeléctrico), transductores, mecanización por ultrasonidosPara las grabadoras de audio o video la magnetostricción debe ser muy bajaTelecomunicaciones

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2.3.6 Propiedades Magnéticas

2.3.6.2 Ferritas granate (garnet)Y3Fe5O12 (YIG). Estructura cúbica como el granate (Ca3Al2(SiO4)3

Aplicaciones similares a las espinelas

2.3.6.3 Ferritas hexagonalesEstructura de la magnetoplumbita (PbFe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5O19). Compuestos del sistema BaO-MeO-Fe2O3. El compuesto más importante es BaFe12O19. Son muy anisótropos, imanes permanentes.Motores eléctricos, grandes altavoces, separadores magnéticos minería,…