5.2 Sobre las cerámicas con propiedades eléctricas especiales.

Los materiales cerámicos se utilizan frecuentemente como materiales dieléctricos en la fabricación de capacitores de disco. Estos pequeños capacitores están formados principalmente por titanato de bario, BaTiO3, con pequeñas cantidades de otros componentes, tabla 14.7. El titanato de bario se emplea por su elevada constante dieléctrica, entre 1200 y 1500. Con la adición de otros óxidos alcanza valores de 6500.

 

Tabla 14.7. Composición de materiales cerámicos dieléctricos para condensadores.

Algunos compuestos cerámicos tienen propiedades semiconductoras importantes para algunas aplicaciones. Una de estas aplicaciones es como termistor, o resistencia sensitiva térmica, que se utiliza para medir y controlar la temperatura. Nos interesa el coeficiente de temperatura negativo (NTC) del termistor, cuya resistencia disminuye con el aumento de la temperatura y por lo tanto el termistor se hace mejor conductor. Los materiales semiconductores cerámicos más utilizados para termistores NTC son los óxidos sinterizados de Mn, Ni, Fe, Co y Cu. Para obtener el rango necesario de conductividad eléctrica con la temperatura se utiliza la combinación de soluciones sólidas de estos óxidos. En la figura 14.28 se muestra como la conductividad de la magnetita, Fe3O4 se reduce gradualmente por la adición de cantidades crecientes en solución sólida de MgCr2O4.

Figura 14.28. Resistividad específica de una solución sólida de Fe3O4 y MgCr2O4.

Algunos materiales cerámicos iónicos cristalinos tienen celdas unidad que no poseen un centro de simetría y como resultado de ello sus celdas unitarias contienen un pequeño dipolo eléctrico, se trata de cerámicas ferroeléctricas. Un material industrialmente importante dentro de esta clase es el titanato de bario, BaTiO3. Por encima de 120°C, el BaTiO3, tiene la estructura cúbica regular simétrica de perovsquita, figura 14.29a, pero por debajo de estos 120°C, el ion central Ti⁴⁺ y los iones O^2- circundantes de la celda unidad, se desplazan ligeramente en direcciones opuestas para crear un pequeño momento dipolar, figura 14.29b. Este desplazamiento de las posiciones iónicas, a la temperatura crítica de 120°C denominada de Curie, cambia la estructura cristalina del BaTiO3, desde cúbica a ligeramente tetragonal. Esto determina que si el titanato de bario se somete a un enfriamiento lento desde la temperatura de Curie en presencia de un campo eléctrico fuerte, los dipolos de todos los dominios tienden a alinearse en la dirección del campo para producir un fuerte momento dipolar por unidad de volumen de material.

Figura 14.29. a) Estructura cúbica del BaTiO3 por encima de los 120°C. b) Por debajo de esta temperatura la estructura es tetragonal por desplazamientos de los iones Ti⁴⁺ y O^2-.

 

El titanato de bario y otros materiales cerámicos exhiben el denominado efecto piezoeléctrico tal como se apunto en la unidad 10, de manera que esfuerzos de compresión en el material generan una reducción de la distancia entre los dipolos, figura 14.30b, lo que reduce el momento dipolar total por unidad de volumen y por lo tanto cambia la diferencia de potencial entre los extremos del material. Por otra parte, si se aplica un campo eléctrico a través de los extremos de la muestra, la densidad de carga de cada uno de los extremos de la misma cambiará, figura 14.30c, que obligará a la muestra a cambiar de dimensiones en la dirección del campo aplicado.

Figura 14.30. a) Esquema ilustrativo de dipolos eléctricos dentro de un material piezoeléctrico. b) La actuación de fuerzas de compresión origina una diferencia de potencial del material. c) Un voltaje a través de los extremos origina un cambio dimensional de la pieza.

 

De este modo, el efecto piezoeléctrico es un efecto electromecánico por el cual fuerzas mecánicas sobre un material ferroeléctrico pueden producir una respuesta eléctrica, o fuerzas eléctricas una respuesta mecánica. Es por ello que los materiales piezoeléctricos tienen muchas aplicaciones industriales, como la conversión de fuerzas mecánicas en respuestas eléctricas de los acelerómetros de compresión, que pueden medir vibraciones en un alto rango de frecuencias, y la aguja de un tocadiscos en la que los impulsos eléctricos son generados a partir de las vibraciones de la aguja en los surcos de un disco de vinilo. Un ejemplo de la conversión de fuerzas eléctricas en respuestas mecánicas lo tenemos en los transductores de ultrasonidos utilizados en técnicas de ensayos no destructivos o en equipos de limpieza ultrasónica, ya que se producen vibraciones a partir de la generación de una diferencia de potencial en el transductor. Otras aplicaciones muy importantes las en el sonar, técnicas ecográficas, etc.
Aunque el titanato de bario se utiliza comúnmente como material piezoeléctrico, ha sido reemplazado por otros materiales fabricados a partir de soluciones sólidas de circonato de plomo, PbZrO3 y titanato de plomo, PbTiO3, base de las cerámicas PZT que presentan un amplio rango de propiedades piezoeléctricas, incluyendo una mayor temperatura de Curie que el BaTiO3.