Materiales piezoeléctricos

Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
Editorial
En este nuevo número del boletín de vigilancia sobre materiales inteligentes se trata el tema de
los materiales piezoeléctricos, por su gran aplicabilidad y extensión desde su descubrimiento.
El efecto piezoeléctrico describe la relación entre una tensión mecánica y un voltaje eléctrico en
sólidos. Es la capacidad de ciertos materiales –minerales, cerámicas y algunos polímeros- para
producir una carga eléctrica en respuesta a un esfuerzo mecánico aplicado. También puede
observarse el efecto inverso, en el que los materiales piezoeléctricos se deforman por la
aplicación de un campo eléctrico.
A continuación se muestra esquemáticamente el efecto piezoeléctrico:
Sumario
1
Editorial
1
Palabras clave
2
Visión actual
3
Publicaciones
3
Patentes
6
Proyectos en curso
9
Noticias
10
Eventos
12
En el efecto piezoeléctrico
directo, la compresión y la
expansión de un material genera
cargas eléctricas opuestas sobre
las caras respectivas de la
muestra.
En
el
efecto
piezoeléctrico
inverso,
la
aplicación de un voltaje a un
material piezoeléctrico produce
una cierta deformación.
Este efecto es conocido desde
hace más de un siglo y se lleva
usando desde hace décadas en
aplicaciones tan cotidianas como
calentadores, cocinas, mecheros
(al pulsar el botón, lo que
hacemos es deformar un material
piezoeléctrico hasta el punto que
genera una chispa debido a la
diferencia de potencial eléctrico).
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por Jacques y Pierre Curie. Los hermanos Curie
descubrieron que cuando se aplicaba una tensión a ciertos cristales como la turmalina, el
cuarzo, el topacio y la sal Rochelle, aparecía una carga eléctrica, y su voltaje era proporcional a
la tensión. De los materiales mencionados, solo el cuarzo se utiliza hoy en día comercialmente.
Todos los demás cristales piezoeléctricos importantes desde el punto de vista práctico se
obtienen de forma artificial.
Si bien los materiales piezoeléctricos monocristalinos se siguen desarrollando, los materiales
piezoeléctricos más utilizados son los materiales cerámicos policristalinos y los polímeros. Estos
materiales presentan carácter piezoeléctrico después de haber sido sometidos a una
polarización artificial. La cerámica piezoeléctrica más empleada se denomina titanato zirconato
de plomo (PZT). Su composición química es Pbx (TiZr)1-xO3. Una de las composiciones
comercialmente más típicas contiene aproximadamente el 47% de PbTiO3 y el 53% de PbZrO3.
El polímero piezoeléctrico más desarrollado es el poli (fluoruro de vinilideno) (PVDF).
Los materiales piezocerámicos tienen la propiedad de ser rígidos y dúctiles, por lo que son
buenos candidatos para emplearlos como actuadores, debido a su gran módulo de elasticidad,
lo cual facilita el acoplamiento mecánico con la estructura. En cambio, los piezopolímeros están
mejor preparados para actuar como sensores porque añaden una rigidez mínima a la estructura
dada su flexibilidad y además son de fácil elaboración. La forma más habitual de emplearlos es
como sensores de contacto y transductores acústicos en forma de lámina delgada.
Los materiales piezoeléctricos han sido embebidos en materiales compuestos en aplicaciones
como la amortiguación de vibraciones o la detección de impactos (como en los airbags, donde el
material detecta la intensidad del choque y envía una señal eléctrica que activa el airbag).
Un ejemplo interesante es el de los sensores piezoeléctricos de distribución constante como es
el caso de las pinturas piezoeléctricas o inteligentes. Este tipo de pintura puede prepararse
utilizando polvo cerámico a base de titanato zirconato de plomo como pigmento y con resina
epóxica como aglomerante. La mezcla se aplica sobre una superficie y se cura y polariza a
temperatura ambiente. La película de pintura resultante actúa como un sensor de vibraciones y
emisiones acústicas para la superficie entera.
Palabras clave
Las palabras clave utilizadas para la elaboración de este boletín han sido:
2
Piezoelectric
Piezoeléctrico
Piezoelectricity
Piezoelectricidad
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
Visión Actual
Publicaciones
Para ver la evolución que ha tenido el estudio de los materiales piezoeléctricos en los últimos
años, se han seleccionado los datos correspondientes a la publicación de artículos y
publicaciones de conferencias entre el año 1980 y 2009. Para la realización de las búsquedas se
ha utilizado la base de datos de la Web of Knowledge.
A continuación se presenta un gráfico con los resultados obtenidos.
Fuente: Elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Como resultado de la búsqueda se han obtenido un total de 40.000 artículos.
Podemos observar que aunque este tipo de materiales fueron descubiertos en el año 1880, cien
años después aun no habían tenido un gran desarrollo. Es en el año 1991 cuando se observa un
incremento en el estudio de estos materiales, tal y como ocurre también en otros materiales
inteligentes como los materiales con memoria de forma.
Haciendo una búsqueda desde el año 2005 hasta la actualidad, para obtener datos más
recientes y las últimas investigaciones realizadas en este ámbito, se han obtenido un total de
19.662 publicaciones, siendo las instituciones que poseen un mayor número de publicaciones
las que se detallan a continuación:
3
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
POSICIÓN
INSTITUCIÓN
Nº ARTÍCULOS
1
CHINESE ACAD SCI
465
2
PENN STATE UNIV
348
3
TSINGHUA UNIV
345
4
HONG KONG POLYTECH UNIV
272
5
HARBIN INST TECHNOL
253
6
INDIAN INST TECHNOL
223
7
TOKYO INST TECHNOL
198
8
NANYANG TECHNOL UNIV
192
9
NATL TAIWAN UNIV
192
10
GEORGIA INST TECHNOL
181
11
TOHOKU UNIV
164
12
NATL CHENG KUNG UNIV
160
13
NATL INST ADV IND SCI & TECHNOL
151
14
RUSSIAN ACAD SCI
147
15
ZHEJIANG UNIV
139
16
UNIV TOKYO
138
17
SHANGHAI JIAO TONG UNIV
135
18
UNIV NEBRASKA
129
19
HUAZHONG UNIV SCI & TECHNOL
126
20
HUNAN UNIV
121
21
NATL UNIV SINGAPORE
117
22
CNRS
116
23
CSIC
115
24
SEOUL NATL UNIV
115
25
SICHUAN UNIV
114
Como se puede observar, en los primeros puestos se encuentran instituciones Chinas, a
excepción de la Penn State University de Estados Unidos que ocupa el segundo puesto.
De estas veinticinco instituciones solo una tiene nacionalidad española, el CSIC, que se
encuentra en el puesto 23.
Para analizar más profundamente cuáles son los países que más están investigando desde el
año 2005 en este campo se ha realizado el siguiente gráfico, que corresponde al porcentaje de
publicaciones por países:
4
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Según los datos obtenidos, Estados Unidos es el país que en los últimos 5 años está publicando
e investigando más en este tema, seguido de China y Japón, España representaría casi el 2%
mundial.
Por último, en el apartado de artículos, cabe destacar aquellos de más relevancia. Para
determinarlo se ha establecido el criterio de importancia mediante el número de citaciones
producidas en otros documentos. De esta manera, se ha conseguido la lista de los siguientes
cinco artículos:
5
Título
Autor
Fuente
Vol.
Nº
Pág.
Fecha pub.
A comprehensive review of ZnO
materials and devices
Ozgur U, Alivov
YI, Liu C, et al.
Journal of applied
physics
98
4
Revival of the magnetoelectric
effect
Fiebig M
Journal of physics
d-applied physics
38
8
R123R152
Abr 2006
Multiferroic and magnetoelectric
materials
Eerenstein W,
Mathur
ND,
Scott JF
Nature
442
7104
759765
Ago 2006
Piezoelectric
nanogenerators
based on zinc oxide nanowire
arrays
Wang ZL, Song
JH
Science
312
5771
242246
Abr 2006
Direct-current
nanogenerator
driven by ultrasonic waves
Wang XD, Song
JH, Liu J, et al.
Science
316
5821
102105
Abr 2007
Ago 2005
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
A continuación se detallan algunos de los libros más recientes dedicados a los materiales
piezoeléctricos:
Título
Autor
Editor
Seung-bok Choi; Youngmin Han
CRC Pr I Llc
2010
Piezoelectricity
Heywang, Walter; Lubitz,
Karl; Wersing, Wolfram
Springer
2008
Piezoelectric transducers and applications
Arnau Vives, Antonio
Springer
2008
Piezoelectric
Actuators:
Applications of Smart Materials
Control
Año edición
Patentes
La primera aplicación que se obtuvo a partir de un material piezoeléctrico, tuvo lugar durante la
Primera Guerra Mundial. En 1917, P. Langevin y otros compañeros empezaron a perfeccionar
los detectores ultrasónicos submarinos. Este hecho estimuló una intensa actividad en el
desarrollo de todo tipo de dispositivos piezoeléctricos. No obstante, los materiales disponibles en
esa época a menudo limitaban el rendimiento de los dispositivos y su explotación comercial.
Durante la Segunda Guerra Mundial, en Estados Unidos, Japón y la Unión Soviética, grupos de
trabajo aislados dedicados a investigar la mejora de los materiales condensadores, descubrieron
que ciertos materiales cerámicos (preparados por sinterizado de polvos de óxido metálico)
mostraban constantes dieléctricas hasta 100 veces mayores que los cristales comunes.
Además, esta misma clase de materiales (llamados ferroeléctricos) fueron producidos de forma
que mejoraron sus propiedades piezoeléctricas. El descubrimiento de la facilidad de fabricación
de las cerámicas piezoeléctricas con características de rendimiento asombrosas, provocaron el
resurgimiento de la investigación y el desarrollo de los dispositivos piezoeléctricos.
El desarrollo de los materiales y dispositivos piezoeléctricos se extendió por todo el mundo, pero
fue claramente dominado por los grupos industriales de los EE.UU, que se aseguraron el
liderazgo mediante el registro de patentes muy fuertes.
Cabe señalar que durante este resurgimiento, especialmente en los EE.UU., el desarrollo de
materiales y dispositivos se llevó a cabo bajo una política de elevado secretismo.
En contraste con el “secreto político” practicado entre los fabricantes de Estados Unidos, varias
compañías y universidades japonesas formaron en 1951 una asociación llamada Barium
Titanate Application Research Committe. Esta asociación estableció un precedente de
organización para superar con éxito no sólo desafíos técnicos y obstáculos de fabricación, sino
también la definición de nuevas áreas de negocio para este tipo de materiales.
A partir de 1965, las empresas japonesas comenzaron a obtener los primeros beneficios del
constante trabajo de desarrollo de nuevos materiales y aplicaciones iniciado en 1951.
Desde una perspectiva internacional, Japón pasó a liderar este campo, desarrollando nuevo
conocimiento, nuevas aplicaciones, nuevos procesos y nuevas áreas de negocio.
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Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
El éxito comercial de los esfuerzos japoneses atrajo la atención de la industria en muchas otras
naciones y estimuló un nuevo esfuerzo para desarrollar con éxito productos piezocerámicos.
Este hecho se demuestra con el gran aumento del número de patentes registradas en las
últimas décadas, tal y como se muestra en el gráfico de evolución. Otra evidencia de la gran
actividad que se desarrolla alrededor de los materiales y dispositivos piezoeléctricos es el gran
número de artículos publicados en los últimos años. Países como China, Rusia o la India han
experimentado un elevado crecimiento en cuanto a publicaciones en los últimos años.
A juzgar por el incremento de la actividad mundial, y por los éxitos hallados en el último cuarto
del siglo XX y la primera década del siglo XXI, la búsqueda de nuevas oportunidades aún está
en proceso.
A continuación se muestra la evolución producida durante las últimas dos décadas en la
publicación de patentes. La estrategia de búsqueda utilizada para la realización de este apartado
ha sido mediante la palabra clave "piezoelectric*".
Se han obtenido un total de 116.694 patentes publicadas desde el año 1980 hasta la fecha
actual. El siguiente gráfico muestra dicha evolución:
Fuente: elaboración propia, con datos de la Web of Knowledge
Este gráfico muestra una tendencia positiva a lo largo de las últimas décadas tal y como ya se
ha comentado anteriormente.
7
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
A continuación se muestra el ranking de los países en que estas patentes tienen efecto:
POSICIÓN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
PAÍS
JAPÓN
ESTADOS UNIDOS
SOLICITUD EUROPEA (EP)
CHINA
SOLICITUD PCT
COREA DEL SUR
ALEMANIA
CANADÁ
GRAN BRETAÑA
FRANCIA
UNIÓN SOVIÉTICA
RUSIA
ESPAÑA
TAIWAN
AUSTRALIA
NºPATENTES
52824
21373
11615
7278
6669
4610
2700
1764
1671
1129
896
877
706
616
498
A continuación se detallan los solicitantes más prolíficos en cuanto a registro de patentes, desde
el año 2006 hasta la fecha actual:
POSICIÓN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
8
SOLICITANTE
SEIKO EPSON CORP
MURATA MANUFACTURING CO
EPSON TOYOCOM CORP
BROTHER IND LTD
KYOCERA CORP
MATSUSHITA ELECTRIC IND CO
LTD
SAMSUNG ELECTRONICS
BOSH GMBH ROBERT
NGK INSULATORS LTD
CANON KK
FUJI PHOTO FILM CO LTD
TDK CORP
SIEMENS AG
FUJITSU LTD
DENSO CORP
KYOCERA KINSEKI CORP
NIHON DEMPA KOGYO CO
Nº PATENTES
2438
1002
824
674
637
619
615
611
539
494
487
392
370
355
351
320
278
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
18
19
20
21
22
23
24
25
PANASONIC CORP
FUJI XEROX CO LTD
NEC TOKIN CORP
SHARAPOV VALERII
MYKHAILOVYCH
SONY CORP
TOSHIBA CORP
DELPHI TECH INC
EPCOS AG
254
221
212
202
183
180
159
122
Como se puede comprobar la mayoría de empresas que figuran en este listado son japonesas.
A continuación se ha realizado un listado de las últimas patentes publicadas relacionadas con el
tema:
NºPUBLICACIÓN
SOLICITANTE
PAÍS
ORÍGEN
CONTENIDO TÉCNICO
KR20100096225
NOKIA CORP
FINLANDIA
Dispositivo con un lente y un elemento
piezoeléctrico configurado para doblarse en
respuesta a la aplicación de un voltage.
KR20100097112
KONICA MINOLTA
OPTO INC
JAPÓN
Actuador piezoeléctrico, dispositivo de guia,
dispositivo de posicionamiento y módulo láser.
KR100984159
KYUNGWON
FERRITE IND CO
LTD
COREA
Método de fabricación de
piezoeléctrico con froma de bola.
un
sensor
Proyectos en curso
High temperature sensors
El objetivo del proyecto es investigar el efecto del dopaje en cerámicas en fase Antivillius con
propiedades ferroeléctricas, piezoeléctricas, dieléctricas, punto Curie, conductividad eléctrica,
envejecimiento.
Fecha inicio / fecha final: 09-10-2009 / 08-10-2010
Entidad financiadora: Comisión Europea. FP7.
Coordinación: Queen Mary and Westfield College, University of London
http://www.qmul.ac.uk
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Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
New micro-robotic systems featuring piezoelectric adaptive microstructures for
sensing and actuating, with associated embedded control
El proyecto se enfoca en una de las aplicaciones más prometedoras de los sistemas adaptativos
piezoeléctricos: sistemas microrobóticos y microensamblajes para componentes micrométricos.
Fecha inicio / fecha final: 03-07-2008 / 02-07-2010
Entidad financiadora / Programa: Comisión Europea. FP7.
Coordinación: Universite de Franche-Comte
http://www.univ-fcomte.fr
Noticias
Carreteras que generan energía
Septiembre 2010
En Israel, ingenieros del centro tecnológico Innowattech han creado un nuevo tipo de material
para carreteras, basado en unos cristales piezoeléctricos, para aprovechar la energía cinética
del paso de los vehículos. El material puede extenderse por todo tipo de superficies de tránsito
con un grosor muy fino. Sus responsables calculan que puede generar unos 400 kW por
kilómetro.
http://www.ptcarretera.es/carreteras_que_generan_energia.html
Desarrollan una tecnología para cargar el móvil solo con la energía del cuerpo
humano
Marzo 2009
Científicos del Instituto de Tecnología de Georgia, encabezados por el profesor Zhong Li Wang,
han logrado captar la energía del entorno convirtiendo en electricidad vibraciones de baja
frecuencia como los movimientos del cuerpo, del latido del corazón o del viento.
Para ello utilizan nanocables piezoeléctricos de óxido de zinc cuyo diámetro es una
vigésimoquinta parte del de un cabello humano.
Según Wang, la ventaja de esta tecnología es que los nanocables pueden fijarse con facilidad a
muchos tipos de superficies, por lo que los nanogeneradores funcionan igualmente en el aire o
en un medio líquido si su envoltorio es el adecuado.
También pueden colocarse sobre metales, polímeros, la ropa e incluso en tiendas de campaña.
Los nanogeneradores tendrán múltiples aplicaciones en los campos de la defensa, el
medioambiente, la biomedicina y la electrónica en general, añadió Wang.
10
Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
De momento, el principal desafío es aumentar su voltaje. Según el profesor, una vez puedan
aumentar su voltaje de 0,5 a 1 voltios habrá importantes aplicaciones en muchos campos.
El científico dijo que espera que de aquí a cinco años se pueda utilizar este sistema para hacer
funcionar un reproductor mp3, un pequeño ordenador portátil o un teléfono móvil.
http://www.madrimasd.org/informacionIDI/noticias/noticia.asp?id=38767
Nuevas técnicas en cirugía odontológica
Julio 2009
La atrofia ósea severa con la consiguiente neumatización progresiva del seno maxilar puede
hacer difícil la inserción de implantes dentales en ciertos pacientes. En este grupo de pacientes
anatómicamente comprometidos, la colocación de los implantes dentales en una posición ideal
puede verse dificultada por una altura, una anchura y una calidad no adecuada del hueso
maxilar.
La osteotomía Le Fort I con interposición de injerto óseo se ha demostrado como un concepto
excelente para la rehabilitación dental de pacientes que precisan técnicas de cirugía
preprotésica avanzada.
El grupo de investigación de Mario Muñoz Guerra, del Hospital Universitario La Princesa (UAM),
ha ideado una técnica novedosa que incide en el aspecto trascendente de la preservación de la
integridad del seno maxilar y de la mucosa del suelo de las fosas nasales, realizando una
modificación de los procedimientos previamente descritos e incidiendo en la utilidad del
dispositivo piezoeléctrico (aparato que gracias a oscilaciones ultrasónicas tridimensionales
controladas permite un corte selectivo y muy preciso, cortando exclusivamente tejido óseo y
evitando el tejido blando) y de los rascadores de hueso.
La técnica, publicada en Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, se realiza en un solo tiempo
quirúrgico e incluye la colocación simultánea de los bloques de hueso y de los implantes de
titanio. Las ventajas fundamentales de esta modificación incluyen: 1/ Proporciona una ganancia
adecuada de la cantidad de hueso maxilar. 2/ Permite la colocación de implantes dentales en la
posición más apropiada. 3/ Mejora la discrepancia entre maxilar y mandíbula típica del paciente
con atrofia ósea. 4/ Minimiza la incidencia de complicaciones infecciosas secundarias a la
movilización de estructuras en el seno maxilar y en las fosas nasales.
http://www.uam.es/ss/Satellite/es/1234886344485/1242648450432/notcientifica/notCientific/1242
648450432.htm
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Materiales piezoeléctricos
Nº 3, 2010
Eventos
Existe una conferencia que presenta las últimas novedades en el campo de los materiales
piezoeléctricos.
EVENTO
LOCALIZACIÓN
FECHA
PIEZO 2011: Electroceramics for End
Users VI
Sestriere, Piedmont, Italia
28-02-2011 /
02-03-2011
Entidades que colaboran en la elaboración del Boletín:
Fundación OPTI
ASCAMM
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