Concetti di base della tecnologia piezoceramica

Principio di funzionamento piezoelettrico, perovskite e polarizzazione

Con piezoelettricità si intende la capacità di certi cristalli di generare una carica elettrica se sottoposti a carico meccanico dovuto a pressione o tensione, un processo chiamato effetto piezoelettrico diretto. Viceversa, questi cristalli subiscono una deformazione controllata se esposti a un campo elettrico – un fenomeno definito effetto piezoelettrico inverso. La polarità della carica dipende dall'orientamento del cristallo in relazione alla direzione della pressione.

Questo processo è chiamato effetto piezoelettrico diretto. Viceversa, la deformazione controllata in caso di esposizione a un campo elettrico è definita effetto piezoelettrico inverso. La polarità della carica dipende dall'orientamento del cristallo in relazione alla direzione della pressione.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Effetto piezoelettrico diretto

Inverser piezoelektrischer Effekt

Effetto piezoelettrico inverso

Struttura della perovskite

La ceramica con proprietà piezoelettriche appartiene al gruppo dei materiali ferroelettrici. Oggi si utilizzano quasi esclusivamente sistemi basati su titanato-zirconato di piombo (PZT), costituiti cioè da cristalli misti di zirconato di piombo (PbZrO3) e titanato di piombo (PbTiO3). I componenti piezoceramici presentano una struttura policristallina che comprende numerosi cristalliti (domini), ciascuno composto da svariate cellule elementari. Le cellule elementari di tali materiali ceramici ferroelettrici presentano la struttura cristallina della perovskite, che può in genere essere descritta dalla formula strutturale A2+B4+O32-.

Diagramma schematico di una struttura ideale di perovskite, senza tenere conto delle distorsioni dovute alla polarizzazione spontanea al di sotto della temperatura di Curie. Il catione bivalente si trova al centro del cubo, mentre i cationi tetravalenti ne formano gli spigoli. In questa immagine, gli anioni bivalenti sono posizionati al centro di ogni spigolo. Per il cristallo misto PZT (titanato-zirconato di piombo), la formula è la seguente: A: Pb2+, B: Ti4+ / Zr4+

Proprietà piezoelettriche mediante polarizzazione

Subito dopo il processo di sinterizzazione, i domini di un corpo in ceramica (le aree formate da cellule elementari di direzione dipolare uniforme) mostrano un orientamento arbitrario, statisticamente distribuito; in altre parole, il corpo macroscopico è isotropico e non presenta alcuna proprietà piezoelettrica.

Ceramica ferroelettrica prima, durante e dopo la polarizzazione

Queste proprietà piezoelettriche devono essere generate per “polarizzazione”. Durante tale processo, il corpo in ceramica è esposto a un forte campo elettrico in corrente continua, che determina l'allineamento dei dipoli elettrici in direzione del campo. Essi mantengono in larga misura questo orientamento anche quando il campo in corrente continua non viene più applicato (polarizzazione residua) – condizione necessaria al comportamento piezoelettrico della ceramica ferroelettrica.

Per maggiori informazioni sui concetti di base della tecnologia piezoceramica, sul comportamento dinamico della piezoceramica e sulle modalità fondamentali dei risonatori piezoelettrici, consigliamo la nostra brochure “High-performance Ceramics in Piezo Applications” (Ceramica ad alte prestazioni nelle applicazioni piezoelettriche) e il supplemento “Monolithic Multilayer Actuators – Operation and Applications” (Attuatori monolitici multistrato - Funzionamento e applicazioni).

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Lingue: PDF, 2.6 MB

    • Lingue: PDF, 2.5 MB

    • Lingue: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Lingue: PDF, 2.6 MB

    • Lingue: PDF, 2.5 MB

    • Lingue: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Advanced Ceramics in Piezo Applications

    • Lingue: PDF, 2.6 MB

    • Lingue: PDF, 2.5 MB

    • Lingue: PDF, 5.5 MB

  • Piezoceramic Technology

    Monolithic Multilayer Actuators