NUEVOS MATERIALES Y APLICACIONES

(CONCRETO PIEZOELÉCTRICO)

INTEGRANTES

-VLADIMIR GONZALES CODINA

-VERONICA FUENTES

-DAVID HUANCO GONZALO

FISICA I 2015

OBJETIVOS DEL PROYECTO

Objetivo General

El presente trabajo de investigación tiene como finalidad informar a los estudiantes acerca de la importancia que tiene el CONCRETO PIEZOELÉCTRICO. Así como los nuevos materiales y aplicaciones.

Objetivos específicos:

Definir los términos de concreto piezoeléctrico. Dar a conocer su utilización. Mostrar su avance científico.

INTRODUCCIÓN

El hormigón es el material más común en materia civil ingeniería, se ha utilizado más que cualquier otro material artificial en el mundo. Muchas infraestructuras civiles importantes, tales como presas, puentes y túneles, están hechos de hormigón. El concreto tiene muchas propiedades deseables, tales como el bajo costo de producción, relativamente alta resistencia a la compresión, y plasticidad; Sin embargo, puede producirse rotura frágil del hormigón cuando se carga bajo tensión.

El hormigón es débil en tensión y las fisuras se forman bajo el esfuerzo de tracción. Como resultado, el agrietamiento es el tipo más común de daños en el hormigón. La existencia de grietas en una estructura de hormigón puede conducir a una disminución de la capacidad portante y crear muchos problemas de durabilidad; Por Consiguiente, la seguridad y la vida de servicio de la estructura pueden reducirse. Vigilancia de la salud estructural (SHM) es necesario para la estructuras de hormigón.

En los últimos años, el uso de cerámica piezoeléctrica titanato zirconato de plomo de materiales (PZT) para SHM del hormigón es cada vez más popular. El material PZT puede generar ondas ultrasónicas cuando se aplica una tensión eléctrica a la misma. Ello También puede convertir la tensión mecánica a la tensión eléctrica cuando se golpea por las ondas ultrasónicas. De este modo, el material PZT puede ser utilizado para fabricar ambos actuadores y sensores.

Gu et al. 1 utiliza el llamado "agregados inteligentes "para llevar a cabo el monitoreo de la resistencia inicial del hormigón en estructuras, y entrenaron un sistema de correlación difusa para predecir el resistencia a la compresión de las estructuras de hormigón en edad temprana._______________________________

1 Luo, Q., and Bungey, J., “Using Compression Wave Ultrasonic Transducers to Measure the Velocity of Surface Waves and Hence Determine Dynamic Modulus of Elasticity of Concrete,” Construction & Building Materials, V. 10, No. 4, 1996, pp. 237-242.

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Yan et al 2 desarrolló una inteligente agregado enfocado para la vigilancia de la salud de una cizalla de hormigón pared. La pared entera cizallamiento se divide en subdominios. Los el estado de salud de estos subdominios se evaluó después usando un wavelet de paquetes basados en matriz de índice de daño.

Sus resultados experimentales muestran que este enfoque puede evaluar el estado de salud de diferentes regiones y tiene el potencial de dar la alerta temprana sobre el fracaso estructural. En este estudio, los agregados inteligentes fueron incorporados en viguetas de hormigón y se utilizaron como ambos actuadores y receptores. El principal objetivo de esta investigación fue investigar diferentes métodos capaces de detectar los defectos en una estructura de hormigón utilizando incrustado sensores piezoeléctricos

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2 Yan, S.; Sun, W.; Song, G.; Gu, H.; Huo, L.; Liu, B.; and Zhang, Y., “Health Monitoring of Reinforced Concrete Shear Walls Using Smart Aggregates,” Smart Materials and Structures, V. 18, No. 4, 2009, pp. 1-6.

CONCRETO PIEZOELECTRICO

¿Qué es la piezoelectricidad?

La piezoelectricidad o efecto piezoeléctrico fue descubierto en 1880 por los hermanos Pierre Curie y Jacques Curie. Esta característica es única de algunos cristales, los cuales pueden generar un campo eléctrico o corriente eléctrica sometidos a compresión y viceversa. El proceso mediante el cual el efecto piezoeléctrico tiene lugarse basa en la estructura fundamental de una red cristalina. Generalmente los cristales tiene una carga balanceada, es decir la carga positiva y negativa se neutralizan a través de la red cristalina. Sin embargo si este equilibrio es interrumpido por la aplicación de una fuerza, la energía es transferida como energía eléctrica creando una corriente en el cristal.

Por lo tanto, la piezoelectricidad es la interacción lineal entre las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales dieléctricos. Algunos materiales que poseen estas características son los siguientes:

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Entre ellos, losa cerámicas piezoeléctricas, cristales y polímeros son los más desarrollados y usados como materiales piezoeléctricos.

Figura 01: Espectro del modulo de la impedancia de la muestra KNNLi-LaTa01 en función de la frecuencia.

La resonancia electromecánica es una medición necesaria Para comprobar el carácter piezoeléctrico de los materiales. La Figura 01 muestra el espectro de impedancia para KNNLi-LaTa01 del modo radial; de la curva experimental se determinaron Las frecuencias de resonancia (fs.) y anti-resonancia (fp).Así como las impedancias mínima (Zmin) y máxima (Zmax) correspondientes.

APLICACIONES

En la actualidad, los materiales piezoeléctricos son ampliamente usados en la industria manufacturera, automotriz, de la construcción, instrumentos médicos, en el campo de las telecomunicaciones y la información, etc.Por su uso se pueden clasificar en:

Sensores, detecta la variación de fuerza o presión longitudinal o transversalmente al elemento en estudio. Además se utilizan en medicina en las imágenes de ultrasonido, micro equilibrio y medidores de deformación.

Actuadores, basado en el funcionamiento inverso de la piezoelectricidad, aplicando grandes campos eléctricos.

Equipos controladores de frecuencia, funciona a través de un cristal oscilador, que es un circuito que usa resonancia de las vibraciones de los cristales para crear una señal eléctrica y frecuencia exacta.

Fuentes de poder y alto voltaje, aplicando estímulos mecánicos externos el cristal piezoeléctrico pueden generar potenciales diferentes con miles de voltios en amplitud.

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Además, los materiales piezoeléctricos han sido empleados para captar energía. Por ejemplo, la energía de los movimientos humanos y vehículos en movimiento pueden ser cosechadas y convertidos en electricidad para la iluminación de las lámparas. Adicionalmente, se está utilizando la nanotecnología, en pequeña escala, en la piezoelectricidad para cargar baterías y dispositivos de baja potencia.

Concreto Piezoeléctrico

La tecnología de la piezoelectricidad es usada en la industria de la construcción, principalmente en el concreto, pues es en el cemento en el cual se introducen estos cristales, como sensores, para detectar electricidad alteña por fractura del concreto. Esto con la finalidad de monitorear el estado y el daño a las estructuras de concreto. La tecnología de monitoreo puede ser activa, basado en la impedancia mecánica, en el método de la onda y utiliza el principio inverso de los cristales piezoeléctricos. La pasiva, mide principalmente respuestas dinámicas dela estructura, referidas a las características de alta impedancia de los cristales piezoeléctricos.

El modelado del proceso de detección de daños en una viga de hormigón con sensores / actuadores piezoeléctricos basados en la propagación de ondas se investiga en este trabajo. Proceso de modelado numérico se divide en dos partes:

Resultados experimentales confirman un buen enfoque FE de este problema.

Tecnología de sensor inteligente Estado de la técnica, permite el despliegue de matrices densas de sensores, lo cual es fundamental para la vigilancia de la salud estructural (SHM) de las estructuras civiles complicadas y de gran escala.

Vigilancia de la salud estructural (SHM) puede mejorar la funcionalidad de las estructuras, mejorar su seguridad y fiabilidad, reducir los costos de mantenimiento y aumentar la vida útil. Un nuevo tipo de tecnología SHM basado en transductores cerámicos piezoeléctricos es una manera eficaz de realizar las funciones potenciales. Sin embargo, muchos de los sistemas SHM cerámicos piezoeléctricos, que son complicados, pesados, y que tienen mucho equipo, se utilizan principalmente para investigaciones de laboratorio.

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La figura 02 muestra los detalles de cómo un agregado inteligente fue fabricado Cada parche PZT se suelda con de dos los hilos conductores y recubierto con epoxi y plástico películas para que sea a prueba de agua.

VIGILANCIA DE LA SALUD ESTRUCTURAL DE HORMIGÓN UTILIZANDO TRANSDUCTORES PIEZOCERÁMICOS EMBEBIDOS 6

Figura 3. Ubicaciones de parche PZT.

Figura 4. Prueba de la configuración del marco con el hormigón reforzado.

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El resultado experimental muestra que los materiales piezocerámicos pueden ser aplicados con éxito a la vigilancia de la salud de infraestructura a gran escala. La energía de transmisión entre el actuador y el sensor se reducirá drásticamente cuando una grieta que sucede dentro... Los sensores PZT incrustados son muy sensibles en la detección6

6 Song, G.; Gu, H.; Mo, Y. L.; Hsu, T. T. C.; and Dhonde, H., “ConcreteStructural Health Monitoring Using Embedded Piezoceramic Transducers,”Smart Materials and Structures, V. 16, No. 4, 2007, pp. 959-968.

REFERENCIAS

1.-H'MOK, H., DUARTE, A., PORTELLES, J., FUENTES, J., DURRUTHY-RODRÍGUEZ, M. D., RAYMOND, O., & ... SIQUEIROS, J. M. (2012). ESTUDIO DE CERÁMICAS LIBRES DE PLOMO DEL COMPUESTO PIEZOELÉCTRICO [(K0.5Na0.5)0.94Li0.06]0.97La0.01(Nb0.9Ta0.1)O3.Revista Cubana De Física, 29(1).

2.-Jialiang, Z., Yong, G., Yalin, Q., Weizeng, Y., & Xing, T. (2014). Comparative study of two (K,Na)NbO3-based piezoelectric ceramics. Journal Of Applied Physics, 116(10), 1-6. doi:10.1063/1.4895529

3.-Salazar, N., Algueró, M., Amorín, H., Castro, A., Gil, A., &Ricote, J. (2014).Local characterization of nanostructured high sensitivity piezoelectric BiScO3-PbTiO3 ceramics by piezoresponse force microscopy.Journal Of Applied Physics, 116(12),

4.- Wu, F., and Chang, F. K., “Debond Detection Using Embedded PiezoelectricElements for Reinforced Concrete Structures—Part I: Experiment,”Structural Health Monitoring, An International Journal, V. 5, No. 1, 2006,pp. 5-15.

5.- Gu, H.; Song, G.; Dhonde, H.; Mo, Y. L.; and Yan, S., “ConcreteEarly-Age Strength Monitoring Using Embedded Piezoelectric Transducers,”Smart Materials and Structures, V. 15, No. 6, 2006, pp. 1837-1845.

6.- Song, G.; Gu, H.; Mo, Y. L.; Hsu, T. T. C.; and Dhonde, H., “ConcreteStructural Health Monitoring Using Embedded Piezoceramic Transducers,”Smart Materials and Structures, V. 16, No. 4, 2007, pp. 959-968.

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