Efeito Piezoelétrico - FEMAT 2011

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ 
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ 
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Marabá – PA 
2013 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ 
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ 
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
 
 
 
 
 
 
MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS 
 
 
Trabalho apresentado ao Prof. Msc. Luis 
Fernando como forma de avaliação da 
disciplina de Materiais Metálicos, do 5º 
semestre do curso Engenharia dos 
Materiais. 
 
 
 
Discentes: Adielson Rafael Marinho 
João Henrique Assunção 
Leonardo Vilarinho Jr. 
Pryscila Albuquerque 
Torben Ulisses da Silva 
 
 
 
 
 
 
 
Marabá – PA 
2013 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
 
Com os avanços tecnológicos atuais, podemos desenvolver vários 
materiais úteis ao dia a dia, dentre os quais, alguns podem ser muito importantes na 
geração de energia limpa e sustentável. Dessa forma, com todo um contexto sócio-
ambiental presente, pesquisas nessa área se tornaram essenciais e cada vez mais, 
materiais com essas características vêm sendo desenvolvidos e aplicados. Dentre 
esses, um grupo especial de materiais, com uma propriedade muito interessante, já 
são usados há algum tempo e estudos para novas utilizações acontecem 
atualmente. Refere-se aos materiais com a propriedade piezoelétrica. 
A grosso modo, piezoeletricidadeé a capacidade de 
alguns materiaisgerarem tensão elétricapor resposta a uma pressão mecânica. O 
termo “piezo" é derivado da palavra grega que significa pressão. Assim como a 
geração de uma tensão por uma deformação mecânica é possível, o efeito reverso 
também pode acontecer, com a ocorrência de uma deformação mecânica em função 
da aplicação de tensão elétrica. 
As aplicações dos materiais com propriedades piezoelétricas são 
variadas, indo desde sensores para estacionamento, passando por telas touche 
screnn de dispositivos móveis, até transdutores ultrassonicos empregados em 
sistemas de radar e sonar, além de novas aplicações que vem sendo desenvolvidas 
com a utilização de nanotecnologia e a busca por formas sustentáveis de se 
aproveitar e maximizar a energia que pode ser gerada pelos piezoelétricos. 
Desta forma, torna-se muito importante o estudo desses materiais e seu 
comportamento nas mais variadas aplicações. Portanto, este trabalho visa explanar 
sobre os piezoelétricos e sua utilidade no nosso dia a dia e importancia para a 
ciencia, bem como fundamentação teórica desse fenômeno. 
 
 
2. O EFEITO PIEZOELÉTRICO E SEU FUNCIONAMENTO 
 
Em 1880, Jacques e Pierre Curie descobriram que um potencial elétrico 
poderia ser gerado aplicando-se pressão a cristais de quartzo, a sais de Rochelle, e 
até a cristais de cana de açucar. Nomearam este fenômeno de “o efeito piezo" 
(Katzir 2003). 
Segundo Callister (2008), em um material piezoelétrico, a polarização é 
induzida e um campo elétrico é estabelecido através de uma amostra pela aplicação 
de forças externas. 
A piezoeletricidade inversa foi deduzida matematicamente dos princípios 
fundamentais da termodinâmica por Lippmann em 1881. Os Curies confirmaram 
imediatamente a existência do “efeito piezo inverso" (quando expostos a 
determinados potenciais elétricos, tais materiais mudavam sua forma, se expandindo 
ou se contraindo),e continuaram os estudos para obter a prova quantitativa da 
reversibilidade completadas deformações eletro-elasto-mecânicas em cristais 
piezoelétricos. 
A figura 01 (a) ilustra o comportamento piezoelétrico, onde a aplicação de 
uma tensão produz uma diferença de potencial elétrico mensurável através do 
material piezoelétrico. Já a figura 01 (b) ilustra o efeito piezoelétrico reverso, no qual 
uma diferença de potencial elétrico muda a magnitude da polarização no material 
piezoelétrico e, consequentemente, sua espessura. 
 
Figura 01: (a) efeito piezoelétrico. (b) efeito piezoelétrico 
reverso. (De Shackelford, James F. Introduction to 
materials science for engineers, 6ª Ed, p.363) 
 
A piezoeletricidade está baseada na formação de forte dipolo entre íons 
de cargas contrárias na estrutura cristalina de um cristal iônico. A cristalografia prevê 
a definição da simetria de um cristal iônico em função de um ponto, eixo ou plano 
(ou combinação desses). A partir desses elementos de simetria, todos os cristais são 
divididos em 32 grupos diferentes, sendo que 21 destes 32 grupos não possuem um 
centro de simetria (condição necessária para existir piezoeletricidade) e 20 deles são 
piezoelétricos. 
A orientação cristalina aleatória faz com que materiais piezoelétricos não 
estejam naturalmente ativos. É necessário polarizar os cristalitos piezoelétricos e isto 
só é possível através de técnicas que proporcionem uma orientação preferencial da 
estrutura cristalina durante o processo de fabricação. Um método simples, porém 
bastante empregado para a orientação de domínios é o processo „poling‟, que será 
visto na unidade 4.5. 
Em um cristal piezoelétrico, as cargas positivas e negativas estão 
separadas, mas simetricamente distribuídas, o que o torna eletricamente neutro. 
Quando um stress mecânico é aplicado, esta simetria é perturbada, e a carga 
elétrica causada por esta assimetria gera uma tensão por todo o material. Um cubo 
de quartzo de 1cm3, com 2kN de força aplicada, pode gerar uma tensão de 
aproximadamente 12500 V. 
 
2.1 Constantes Piezoelétrica 
 
Para selecionar um material piezelétrico para aplicações tecnológicas 
procura-se, em geral, se conhecer algumas de suas propriedades, entre elas 
podemos destacar: 
 
a) Constante de carga piezoelétrica d (m / V ou C / N) 
Informa qual é a proporção entre a variação dimensional (∆l) do material 
piezoelétrico (em metros) e a diferença de potencial aplicada (em Volts), e entre a 
geração de cargas elétricas (em Coulomb) e a força aplicada no material (em 
Newton). Essa informação é usada principalmente em projetos de posicionadores 
piezoelétricos e sensores de força/deformação. 
 
b) Constante de tensão piezoelétrica g (V.m / N) 
Informa qual é a proporção entre a diferença de potencial gerada (em 
Volts) e a força aplicada (em Newton) para o comprimento de 1 metro. Essa 
informação é usada no projeto de detonadores de impacto e “magic clicks” (produz 
uma centelha elétrica que acende a chama de um fogão). 
 
c) Coeficiente de acoplamento k (Adimensional) 
Eficiência do material na transdução / conversão de energia elétrica em 
mecânica e vice versa. Essa informação é indispensável no controle de qualidade 
das cerâmicas piezoelétricas e no projeto de dispositivos em que não se deseja a 
conversão cruzada de energia, ou seja, que uma vibração ou deformação em um 
eixo não gere cargas elétricas ou diferença de potencial em outro eixo. Neste caso, 
quanto menor o respectivo fator de acoplamento melhor. 
 
d) Fator de qualidade mecânico Q (Adimensional) 
É uma medida das perdas mecânicas (amortecimento) do material. Usado 
no projeto de dispositivos dinâmicos de alta potência. 
 
e) Temperatura de Curie TC (°C) 
É a temperatura na qual a estrutura cristalina do material sofre uma 
transição de fase e o mesmo deixa de apresentar propriedades piezoelétricas. 
Depois de ultrapassada esta temperatura, o material perde a polarização 
remanescente induzida tornando-se inútil para a utilização como elemento transdutor 
de energia elétrica em mecânica. Essa informação é indispensável no projeto de 
dispositivos que deverão operar em altas temperaturas e de alta potência. 
 
3. APLICAÇÕES DE MATERIAIS PÍEZOELÉTRICOSFoi ainda na I Guerra Mundial, em 1917, que o efeito piezoelétrico teve 
sua primeira utilidade em grande escala, sendo aplicado nos sonares que 
equipavam navios e submarinos, através de transdutores piezoelétricos. 
Posteriormente, o interesse por esses materiais aumentou e diversas pesquisas 
foram iniciadas, resultando em grande avanço nesse campo. Já na II Guerra 
Mundial, os materiais com efeito piezoelétrico foram utilizados nos transmissores de 
comunicação de aeronaves e, com término do armistício, deu-se um verdadeiro 
“boom” em pesquisas para novas aplicações dos piezoelétricos, resultando em suas 
utilizações nos primeiros tipos de controles remoto, na indústria automotiva, em 
equipamentos de medicina, nas telecomunicações e nas mais variadas áreas. 
O termo “piezoelétrico”, apesar de já conhecido desde o início do século 
passado, somente veio ganhar notoriedade a partir de 2008, quando boates 
londrinas passaram a utilizar cristais piezoelétricos nos pisos, para que, os 
freqüentadores, ao pular e dançar, exercessem involuntariamente uma pressão 
mecânica sobre a superfície, fazendo com que lâmpadas LED‟s fossem ativadas 
pela tensão elétrica gerada, iluminando de várias cores o piso vidrado. 
A seguir, falaremos mais um pouco sobre algumas das principais 
aplicações para materiais piezoelétricos. 
 
3.1 Transdutores Piezoelétricos 
 
Transdutor é um dispositivo que converte uma forma de energia em outra 
forma de energia. Na maioria dos casos, consiste em converter energia elétrica num 
deslocamento mecânico ou converter alguma grandeza física não elétrica tal como 
som, temperatura, pressão, velocidade ou luz, numa grandeza elétrica. Com o 
recurso a transdutores podemos utilizar instrumentação eletrônica para medir, 
modificar e melhorar o atual estado tecnológico das aplicações industriais. Por 
exemplo, hoje em dia existem já transdutores integrados de temperatura com 
sensibilidades da ordem dos 10 a 200 mV por grau centígrado, extremamente 
lineares. Existem também transistores de efeito de campo sensíveis a diferentes 
íons, utilizados na medida de potenciais bioeletrônicos. Os transdutores são também 
hoje muito utilizados em telemetria (transmissão de informação quantificada à 
distância).As funções de um transdutor são: ser sensível à presença, magnitude e 
variação de um dado mensurado; proporcionar a saída de um sinal elétrico a ser lido 
por um leitor. 
Devido às propriedades piezoelétricas, os transdutores que atuam com 
esses materiais são capazes, então, de converter energia mecânica em energia 
elétrica e, a partir do efeito piezoelétrico reverso, realizar a operação contrária. A 
partir disso, podemos dividir os transdutores piezoelétricos em aplicações de forma 
passiva (sensores) e ativa (atuador). Havendo também um caso especial em que o 
transdutor pode atuar das duas formas: os transdutores ultrassônicos. 
 
 
 
 
3.1.1 Sensores Piezoelétricos 
 
Na forma passiva, o transdutor só recebe sinais. Aqui a propriedade 
piezoelétrica direta do material é explorada de forma a obter uma voltagem a partir 
de uma tensão mecânica externa. Para utilizar o princípio físico de materiais 
piezoelétricos, com o objetivo de torná-loum sensor de força, deve-se poder medir a 
carga elétrica na superfície do cristal (Putnam & Knapp 1996). Para isto, duas placas 
de metal são utilizadas nas extremidadesopostas do mesmo, tornando-o um 
capacitor. Na suaregião de operação, quanto maior a força de deformação aplicada 
no cristal, maior acarga elétrica na sua superfície. Esta carga resulta em uma tensão 
de q=C, onde q é a carga resultante de uma força F, e C é a capacitância do 
componente. 
 
Figura 02: Duas placas de metal em contato com o material 
piezoelétrico. (Obtida do site do Centro de Pesquisa Computacional 
em Música e Acústica da Universidade de Stanford: 
http://ccrma.stanford.edu/CCRMA/Courses/252/sensors/node7.html) 
 
Pelo método descrito acima, os cristais piezoelétricos agem como 
transdutores quetransformam força ou stress mecânico em carga elétrica que pode 
ser convertida emtensão. Alternativamente, o inverso também ocorre. Um exemplo 
deste fato é quetransdutores piezoelétricos podem ser encontrados em alto-falantes 
(eletricidade para mecânica).Em instrumentos musicais elétricos e microfones, as 
vibrações mecânicas dinâmicas (das cordas ou da voz) são transformadas em sinais 
elétricos (voltagem alternada) que são então amplificados e convertidos em som 
através de amplificadores. As balanças eletrônicas encontradas em supermercados 
ou aquelas muito precisas usadas em laboratórios de pesquisa têm seu 
funcionamento baseado na piezeletricidade, pois utilizam cristais que se polarizam 
ao sofrerem umadeformação. Podemos ainda citar como outros exemplos: 
hidrofones, extensômetros, pick-ups de DJ's, ignitores de gás e sensores 
vibracionais. 
 
3.1.2 Atuadores Piezoelétricos 
 
No modo ativo, o transdutor, usando a propriedade piezoelétrica inversa 
dos materiais, recebe um sinal elétrico e muda suas dimensões, enviando um sinal 
mecânico para o meio. O mesmo princípio também é usado no mapeamento de 
trincas em ensaios não destrutivos de materiais. Suas aplicações incluem: sonares, 
micro-bombas (empregadas em impressoras jato de tinta e micro-pipetas) e micro-
posicionadores (eletrônica). 
 
3.1.3 Transdutores ultrassônicos 
 
Materiais piezoelétricos são utilizados como transdutores ultrassônicos 
para aplicações de produção de imagens (para medicina, para testes industriais não-
destrutivos, etc) e para aplicações de alta potência (tratamentos médicos, processos 
industriais, etc). Para a produção de imagens, o transdutor age tanto como um 
sensor como um atuador. Transdutores ultrassônicos podem injetar ondas 
ultrassônicas em um corpo, receber a onda de retorno e converter em um sinal 
elétrico (voltagem). A maioria dos transdutores médicos de ultrassom são 
piezoelétricos. 
Quando vários elementos são empilhados um sobre o outro e no final 
uma lâmina é colocada, pode-se controlar o cristal e com o deslocamento obtido, 
terá um cortador ultrassônico. Este tipo de ferramenta é útil no corte preciso de 
materiais plásticos ou similares, já que materiais leves não são afetados pela 
vibração ultrassônica. 
 
3.2 Motores Piezoelétricos 
 
Um motor piezoelétrico ou piezo motor é um tipo de motor elétrico 
baseado na mudança da forma de um dado material piezoelétrico quando um campo 
elétrico é aplicado. Motores piezoelétricos fazem uso da piezoeletricidade inversa, 
onde o material produz vibrações acústicas ou ultrassônicas para gerar movimentos 
lineares ou rotacionais. Em um mecanismo deste tipo, o alongamento em um único 
plano do material é utilizado para gerar uma série de expansões, manutenções de 
posicionamento e contrações. 
A grande vantagem da utilização de um motor piezoelétrico é a sua 
extrema precisão (da ordem de nanômetros) e relativa alta velocidade, que é 
possível graças à sua alta taxa de resposta, assim como a rápida distorção do cristal 
piezoelétrico, o que permite que os passos sejam realizados a freqüências bastante 
elevadas (acima de 5 MHz). Este fato gera uma velocidade linear máxima de 800 
mm por segundo, ou aproximadamente 2.9 km por hora. 
 
3.3 Outras aplicações 
 
Músculos de metal para robôs miniaturizados ou para pequenas próteses. 
Esta é uma das visões que poderão se tornar realidade graças a uma descoberta 
feita por um laboratório alemão. Os cientistas criaram um novo material metálico, à 
base de platina, mas com nanoporos. O novo material se expande e se contrai sob 
a ação de uma corrente elétrica. Desta forma, o material converte diretamenteenergia elétrica em mecânica e vice-versa. 
O novo material agora desenvolvido, além de poder custar mais barato, 
trabalha com voltagens mais baixas. É a primeira vez que alterações macroscópicas 
de comprimento, visíveis e mensuráveis, foram observadas em um material metálico, 
com tão baixa corrente. 
A conversão direta de eletricidade em energia mecânica pode ser 
utilizada para a criação de "músculos metálicos" que darão movimento a pequenos 
robôs ou mesmo a próteses humanas. Mas as aplicações possíveis do material 
passam ainda por válvulas microscópicas, ótica adaptativa e materiais inteligentes 
capazes de alterar seu formato conforme a necessidade. O efeito de transdução 
pode ser utilizado, por exemplo, em sensores que disparam o "air-bag" dos 
automóveis. A platina nanoparticulada foi produzida a partir da evaporação de 
platina pura em um ambiente fechado com gás nobre. Ao condensar-se, a platina 
forma partículas de menos do que 5 nanômetros de tamanho. Estas partículas foram 
então compactadas, formando um bloco poroso. Este bloco sólido foi mergulhado 
em um eletrólito, um fluido condutivo, que preencheu as cavidades. Quando o bloco 
é submetido a uma corrente elétrica, o fluido condutivo encarrega-se de fazer a 
eletricidade chegar a cada nanopartícula do sólido. A corrente elétrica altera as 
cargas do eletrólito. Como resultado, cargas elétricas são também induzidas nas 
superfícies das nanopartículas, alterando o número de elétrons dos átomos dessas 
nanopartículas, o que altera sua identidade química. A grande novidade consiste no 
fato de que, ao se utilizar um metal, a carga induzida não é espalhada sobre uma 
ampla área como no caso dos semicondutores. 
A piezeletricidade em fibras têxteis revestidas de ZnO têm mostrado 
capaz de fabricar "nano sistemas auto-alimentados" com estresse mecânico do 
vento ou os movimentos do corpo. Em 2008, o Centro para a Caracterização da 
Nanoestrutura no Instituto de Tecnologia da Geórgia relatou a produção de um 
dispositivo de geração de energia elétrica (chamada de gerador da bomba de 
carga flexível) que entrega corrente alternada esticando e soltando nanofios de 
óxido de zinco. Este mini-gerador cria uma tensão oscilante até 45 milivolts, 
convertendo quase sete por cento da energia mecânica aplicada em eletricidade. 
Os pesquisadores usaram fios com comprimentos de 0,2-0,3 mm e diâmetros de 
3-5 micrômetros, mas o dispositivo poderia ser reduzido para um tamanho menor. 
Os piezoelétricos também têm sido amplamente pesquisados para 
aplicação em geração de energia limpa e sustentável. Há uma infinidade de formas 
de obtenção. Pesquisas já realizaram testes com a aplicação de um filme 
piezoelétrico sob camadas de asfalto em rodovias, fazendo com que a corrente 
gerada pela deformação do asfalto (e do filme), aos carros passarem sobre o 
mesmo, seja captada e armazenada como energia elétrica. 
 
4. ALGUNS MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS 
 
O campo de aplicação dos materiais piezoelétricos é vasto, porém, ainda 
não são muitos os materiais explorados para tal. Abaixo destacaremos 3 materiais 
com propriedades piezoelétricas. O Titanato de Bário, que foi um dos primeiros 
compostos piezoelétricos utilizados, mas que hoje em dia está dando lugar a outras 
ligas; o Titanato Zirconato de Chumbo, que vem sendo o mais utilizado atualmente; 
e o óxido de zinco, que ainda não tem muita aplicação, porém, tem capacidade para 
ser muito explorado nos próximos anos. 
 
4.1 Titanato de Bário (BaTiO3) 
 
O titanato de bário, BaTiO3 (com fórmula genérica ABX3) apresenta uma 
estrutura muito comum entre os minerais, estrutura esta de especial interesse pois é 
a mesma de materiais como os ferroelétricos e os supercondutores. Possui 
aparência branca de cristais translúcidos. Não é solúvel em água, somente em 
ácidos concentrados. 
 
4.1.1 Estrutura 
 
Os "grandes" cátions azuis (de Ba ou genericamente A) e os ânions 
vermelhos (o X da fórmula - freqüentemente oxigênio) formam um empacotamento 
cúbico fechado, restando aos "pequenos" cátions B (de Ti neste exemplo) posições 
nos espaços octaédricos entre os ânions como pode ser visto na figura 03 (a). A 
estabilidade da estrutura depende dos raios iônicos relativos: se os cátions são 
muito pequenos para o empacotamento compacto com os ânions de oxigênio, eles 
podem ser levemente deslocados. Considerando que estes íons têm carga elétrica, 
tais deslocamentos podem levar a um momento de dipolo elétrico (cargas opostas 
separadas por uma pequena distância). 
 
4.1.2 Obtenção 
 
No estado sólido o Titanato de Bário possui cinco fases, de acordo com 
sua temperatura: hexagonal, cúbica, tetragonal, ortorrômbica e romboédrica. 
Estruturas cristalinas ordenadas respectivamente às temperaturas decrescentes. 
Pode ser obtido através da sinterização em fase líquida do carbonato de bário e 
dióxido de titânio, sendo muitas vezes misturado com o titanato de estrôncio. 
 
Figura 03: estrutura do titanato de bário (a). Célula unitária PZT do tipo 
Perovskite no estado cúbico simétrico acima da temperatura de Curie (antes da 
aplicação do campo elétrico) (b). 
 
 
4.2 PZT (Titanato Zirconato de Chumbo) 
 É um composto inorgânico também chamado PZT, sendo um material 
cristalino de estrutura tipo ABO3 que apresenta um acentuado efeito piezoeléctrico. 
Trata-se de um sólido branco, que é insolúvel em todos os solventes. 
 
4.2.1 Estrutura 
 
Com a fórmula química Pb [ Zr x Ti 1 - x] O 3 0 ≤ x ≤ 1) com fórmula 
característica da perovskita que pode ser interpretada como uma combinação da 
estrutura cubica simples (CS), com cúbica de corpo centrado (CCC) e a cúbica de 
face centrada (CFC), mas em uma análise cuidadosa, verifica-se que diferentes 
átomos ocupam as posições dos vértices (A), do centro (B) e das faces (O-²). Como 
resultado, a estrutura da perovskita é um exemplo da rede cúbica de Bravais, com 5 
íons (1 A, 1 B e 3O) por célula unitária, de acordo com a figura 03 (b) 
 
4.2.2 Propriedades Mecânicas e ensaios realizados 
 
O material cerâmico PZT (Titanato Zirconato de Chumbo) pode suportar pressões de 
até 250 MPa (250 x 106 N/m2) sem quebrar. Porém, não se deve, de modo algum, 
utilizar valores de pressão próximos a este em aplicações práticas, já que a 
despolarização ocorre a pressões na ordem de 20 a 30% deste limite mecânico. 
Para atuadores de empilhamento e estágios (combinações de viários materiais), 
limitações extras se aplicam como as saliências e as interações entre as 
interfaces.Os dados de capacidade de carga de um atuador, para aplicações 
praticas, devem ser suficientemente conservativos para a garantia de uma longa 
vida útil do mesmo.As cargas de tração de atuadores piezoelétricos não pré-
carregados são limitadas de 5 a 10% do limite de carga compressiva. Existem 
diversos atuadores piezoelétricos com uma mola de pré-carga interna para aumentar 
sua capacidade de tração, o que é bastante recomendado para aplicações 
dinâmicas. A cerâmica PZT é especialmente sensívelà forças de rotação. Elas 
devem ser compensadas por medidas externas. 
 
4.2.3 Obtenção 
 
O PZT pode ser obtida através de diversos processos de síntese que 
diferem pela natureza dos precursores utilizado. No entanto a metodologia de 
mistura dos óxidos é a mais barata e industrialmente utilizada, processos químicos 
também são empregados como o método sol-gel, coprecipitação e Pechini, estes 
processos químicos diminuem a energia necessária para formação da fase cristalina 
do PZT. 
 
4.3 Óxido de Zinco – ZnO 
O óxido de zinco é um composto inorgânico com a fórmula ZnO. Ele 
geralmente aparece como um pó branco, praticamente insolúvel emágua. O ZnO 
está presente na crosta terrestre como o mineral “zincite”, no entanto, a maior 
parte do ZnO utilizado comercialmente, é produzida sinteticamente. 
4.3.1 Estrutura 
O óxido de zinco se cristaliza em três formas: wurtzita hexagonal, 
“zincblende” cúbico, e o sal de rocha, raramente observado. A estrutura wurtzita é 
mais estável em condições ambiente e, portanto, mais comum. A forma zincblende 
pode ser estabilizada pelo crescimento de ZnO sobre substratos, com uma 
estrutura de treliça cúbica, que resultam em piezeletricidade do ZnO hexagonal. 
Em ambos os casos, os centros de zinco e óxido são tetraédricos. A estrutura de 
sal de rocha (tipo NaCl) é observada apenas em pressões relativamente altas de 
cerca de 10 GPa. 
 A ligação em ZnO é largamente iônica, o que explica a sua forte 
piezeletricidade. Devido às ligações polares Zn-S, os níveis de zinco e oxigênio 
suportam cargas elétricas (positivas e negativas, respectivamente). Portanto, para 
manter a neutralidade elétrica, tais níveis são reconstruídos em nível atômico, na 
maioria dos materiais relativos, mas não no ZnO - as suas superfícies são 
atomicamente planas, estáveis e não apresentam nenhuma reconstrução. Esta 
anomalia do ZnO não está totalmente esclarecida. 
4.3.2 Propriedades mecânicas 
O ZnO é um material relativamente macio, com dureza aproximada de 
4,5 na escala de Mohs. Suas constantes elásticas são menores que as dos 
semicondutores III-V relevantes, tais como GaN. A capacidade de calor elevado e 
condutividade térmica, baixa expansão térmica e alta temperatura de derretimento 
de ZnO são benéficos para a cerâmica. 
Entre os semicondutores tetraedricamente forçados, foi afirmado que o 
ZnO tem o maior tensor piezelétrico ou pelo menos comparável à de GaN e AlN. 
Esta propriedade faz com que seja um material tecnologicamente importante para 
muitas aplicações piezelétricas, que exigem um grande acoplamento 
eletromecânico. 
4.3.3 Obtenção 
Para o uso industrial, o ZnO é produzido em níveis de 105 toneladas 
por ano, por três processos principais: 
Processo indireto (Francês): o zinco metálico é fundido em um 
cadinho de grafite e vaporizado em temperaturas acima de 907 ° C (geralmente 
em torno de 1000 ° C). Os vapores de zinco reagem instantaneamente com o 
oxigênio do ar para dar ZnO, acompanhados por uma queda em sua temperatura 
e luminosidade intensa. Partículas de óxido de zinco são transportadas para um 
duto de refrigeração e recolhidos em um saco. Seu produto é normalmente 
constituído por partículas de óxido de zinco aglomerados com tamanho médio de 
0,1 a alguns micrômetros. 
Processo direto (Americano): no processo direto, o material inicial é 
de vários compostos de zinco contaminados, como os minérios de zinco ou de 
fundição de subprodutos. Ele é reduzido por aquecimento com aditivo de carbono 
(antracita, por exemplo) para produzir vapor de zinco, que é então oxidado como 
no processo indireto. Devido à menor pureza do material de origem, o produto final 
também é de qualidade inferior no processo direto, em comparação com o 
indireto. 
Processo químico, úmido: os processos químicos úmidos começaram 
com soluções purificadas de zinco, a partir dos quais o carbonato de zinco ou 
hidróxido de zinco é precipitado. Em seguida, é filtrado, lavado, secado e 
calcinado em temperaturas: ~ 800 ° C. 
O óxido de zinco em pó branco comum pode ser produzido em 
laboratório por eletrólise de uma solução de bicarbonato de sódio com um ânodo 
de zinco. Hidróxido de zinco e gás hidrogênio são produzidos. O hidróxido de 
zinco sob aquecimento se decompõe em óxido de zinco. 
 
 
 
4.4 Propriedades mecânicas de materiais Piezoelétricos 
 
Cerâmicas ferroelétricas e, particularmente, algumas das piezoelétricas, 
são elementos estruturais que precisam resistir razoavelmente a altos níveis de 
tensão nas suas condições de uso. 
De qualquer forma, é sempre preferível utilizar materiais ferroelétricos 
(como para a maioria das cerâmicas) em esforços de compressão do que em tensão 
(o esforço de tensão se torna então, um fator limitante). Dessa forma, é exigida boa 
resistência mecânica para esses materiais, porém, certa ductilidade é desejável para 
que se possam ter os efeitos de deformação mecânica apropriados. 
 
4.5 Polarização – Tratamento pós-produção 
 
O principal tratamento dado aos materiais piezoelétricos é a polarização. 
A polarização (“poling") do material piezoelétrico consiste no seu aquecimento até 
que haja a superação da sua temperatura de Curie, fazendo com que a estrutura do 
seu cristal se torne centro-simétrica e todos os dipolos desapareçam. Então é 
aplicado um campo elétrico de intensidade elevada. Assim, a estrutura do cristal é 
deformada e se forma uma polarização no sentido indicado na figura abaixo. 
Posteriormente, o material é resfriado ainda na presença deste campo elétrico. 
Como consequência, os dipolos tendem a se alinhar com o campo aplicado, dando 
origem a uma polarização total diferente de zero, após o resfriamento. Finalmente, o 
campo elétrico é removido, concluindo o processo. Nem todos os dipolos 
conseguem retornar à sua orientação de origem (fenômeno da histerese), o que 
resulta em uma polarização remanescente através do material, assim como uma 
deformação permanente. A polarização é resumida de acordo com a figura 04. 
 
Figura 04: Orientação dos domínios durante a realização da polarização (GmbH 
& KG, 2006) 
 
5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS 
 
Como vantagens notáveis dos materiais piezoelétricos podemos destacar: 
 Podem ser utilizados para produção de energia a baixo custo, limpa e 
sustentável; 
 É um campo vasto para pesquisas e conseqüente desenvolvimento de novos 
materiais; 
 Podem ser implementados em diversas atividades mecânicas para a geração 
de energia; 
 
Como desvantagens, os piezoelétricos apresentam algumas limitações, 
abaixo, sendo a temperatura e suas variações as principais protagonistas destas 
limitações. 
: 
a) Envelhecimento natural (e acelerado pelas condições de uso): Com o passar do 
tempo, a polarização remanescente induzida durante o processo de fabricação das 
cerâmicas esvaece naturalmente, independentemente da ação de agentes externos 
ou do uso do material. 
 
b) Instabilidade das propriedades em função de variações de temperatura: Em 
eletrônica, estamos habituados a observar a mudança de propriedades e 
comportamento em todos os tipos de componentes, desde os resistores, que 
apresentam resistência maior quando aquecidos, aos semicondutores, que 
conduzem melhor aquecidos. No caso das cerâmicas, estas alterações também 
acontecem, porém, com maior intensidade e de forma imprevisível, devido à 
complexidade dos mecanismos envolvidos no efeito piezoelétrico. 
 
c) Limites de excitação elétricos e mecânicos: As cerâmicas piezoelétricas são 
materiais frágeis poucos resistentes à tração, sendo importante observar os limites 
de cada material para evitar quebras. 
 
No caso específico do PZT, há uma preocupação em relação ao chumbo, 
que é um metal pesado tóxico e, por conta disso, muitos órgãos reguladores 
europeus estão proibindo sua aplicação em componentes eletrônicos. 
 
 
6. CONCLUSÃO 
 
 Apesar de poucos materiais piezoelétricos conhecidos, principalmente na 
área de materiais metálicos (Ligas), pode-se perceber a grande importância e a 
diversa aplicabilidade destes materiais. 
 Sem falar que o estudo dos materiais piezoelétricos está ligado diretamente 
às inovações tecnológicas de grande valor, melhorando a exploração e o 
conhecimento de informações dos quais sem o mesmo não seria possível detectar.Pode-se, encontrar materiais piezoelétricos na indústria automobilística, 
aeronáutica, naval, de eletro-eletrônicos, médica etc. 
 Portanto, tornam-se de muita importância os estudos dos materiais 
piezoelétricos, por se tratarem de materiais que podem representar um campo de 
atuação com futuro promissor para os engenheiros de materiais. 
 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
- Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. 7ª edição. 
Rio de Janeiro: LTC, 2008 
- Droescher, R. E., Obtenção e caracterização microestrutural e elétrica de 
cerâmicas PZT-PMN. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, 
Metalúrgica e Materiais. UFRS, Porto Alegre, 2009. 
 
- Inovação Tecnológica. Metal piezelétrico. Disponível em: 
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.phpartigo=0101600305 
 
- Katzir, S. (2003), `The discovery of the piezoelectric effect', Archive for History 
ofExactSciences 57(1), 61-91. 
 
- Natal, G. S., Nanoposicionamento de precisão por controle adaptativo binário de 
atuadores piezoelétricos, COPPE/UFRJ, M.Sc., Engenharia Elétrica, 2008. 
 
- Pelegrini, M. V., Estudo de materiais piezoelétricos da família III-V obtidos por 
sputtering reativo visando sua aplicação em sensores e mems. Escola Politécnica 
USP, São Paulo, 2010. 
 
- Putnam, W. & Knapp, R. B. (1996), Input/Data Acquisition System Design for 
Human Computer Interfacing Course, Stanford University. 
 
- Shackelford, James F., Introdução à ciência dos materiais para engenheiros, 6ª ed. 
São Paulo. Person Prentice Hall, 2008.