INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES

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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES

• Tema Titanato de Bario
• Grupo
• Estefanía Espinosa Gracia
• Marta Pastor Peydró
• Marcos Siles Chinchilla

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ÍNDICE

• Introducción
• Propiedades
• Estructura
• Composición
• Síntesis
• Aplicaciones
• Conclusión
• Bibliografía

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INTRODUCCIÓN
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BaTiO3

• Considerado como un material prototipo dentro de
  los ferroeléctricos.
• El más estudiado desde el punto de vista básico,
  tanto experimental, como teórico, debido a sus
  variadas propiedades físicas.
• Material cerámico que presenta una elevada
  constante dieléctrica, y un reducido factor de
  pérdidas. (Material aislante).
• Las propiedades del titanato de bario son
  fuertemente influenciadas por la presencia de
  defectos, especialmente las vacancias de oxígeno.
  
• A través de modificaciones adecuadas de las
  propiedades de los
• granos y los bordes de grano se obtienen
  características muy interesantes para muchas
  aplicaciones.

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PROPIEDADES
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GENERALIDADES

• El titanato de bario es un material cerámico.
• Propiedades ferroeléctricas retener información
  en su estructura cristalina sin necesidad de
  estar conectado a una fuente eléctrica.
• Presenta dos fases Fase paraeléctrica (no hay
  desplazamiento de los iones) y Fase
  ferroeléctrica (desplazamiento de iones
  en la estructura).

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CLASIFICACIÓN

• Resulta muy difícil clasificarlo ya que
  tendríamos que crear una subclasificación, por
  cada mecanismo de polarización,
  presenta una fase polar y otra no polar.
• Pequeña clasificación de las principales
  características de nuestro material
• En la fase no polar no es piezoeléctrico
• La constante de transición de la fase
  paraeléctrica a la fase ferroeléctrica es muy
  alta
• Pose varias direcciones de la polarización
  espontánea
• está situado en la cabeza del grupo de los
  octaedros de oxigeno.

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ESTRUCUTURA
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• La fase paraeléctrica a alta temperatura
  predomina la estructura cúbica simple del mineral
  Perovskita (CaTiO3).
• Los óxidos que tiene la formula molecular ABO3,
  presentan la misma estructura cristalina que el
  mineral Perovskita (PbTiO3) (KNbO3).

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• En la estructura cúbica simple hay 5 átomos por
  celdilla unidad y la contribución de cada átomo
  es la siguiente
• Para el caso del Ti4, su posición es ( ½, ½ ½),
  su contribución es de 11 1 átomo.
• En el caso del Ba2, sus posiciones son (0,0,0) y
  sus equivalentes , su contribución es de 8 1/8
  1 átomo.
• En el O2-, sus posiciones son ( 0, ½, ½), ( ½, 0,
  ½) , ( ½, ½,0) y sus posiciones equivalentes, su
  contribución es de 6 ½ 3 átomos.
• La suma de todas las contribuciones dan 5 átomos
  por celdilla unidad.

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COMPOSICIÓN
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• Fase paraeléctrica
• estructura cúbica simple, esta
  estructura se mantiene estable entre los 130 o C
  y los 1460 o C. El momento dipolar eléctrico se
  anula provocando que el material no posea ninguna
  propiedad eléctrica.

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• Cuando la temperatura de Curie disminuye desde
  los 120 o C hasta los 5 ó 0ºC la estructura
  cristalina cambia de fase y pasa a tener una
  estructura de celda unidad Tetragonal.
• Nuestro material ha pasado a tener la fase
  ferroeléctrica y la dirección de la polarización
  es (100).

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• Continuamos disminuyendo la temperatura de Curie
  de los 0 oC hasta -90 oC, pasa a tener una
  estructura ortorrómbica, en esta fase, por su
  puesto hay polarización espontánea y la dirección
  del momento dipolar eléctrico es (110), seguimos
  estando en la fase ferroeléctrica.

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• Si disminuimos la temperatura de Curie por debajo
  de -90 o C nuestro material vuelve a sufrir un
  cambio de estructura cristalina de su celda
  unidad a Romboédrica.
• Continua habiendo polarización cuya dirección es
  (111).
• Nos encontramos en la fase ferroeléctrica.

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• De forma general podríamos representar todas las
  transiciones de esta forma

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SÍNTESIS
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Pasos de procesado básicos

• preparación del polvo
• procesado de dicho polvo
• green forming
• densificación

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Preparación del polvo de la cerámica

• Obejtivo alcanzar un polvo de cerámica
  que rinda en un producto que satisfaga los
  estándares de funcionamiento especificados.
• Ejemplos
• mezcla/calcinación
• co-precipitación de solventes
• procesado hidrotérmico
• descomposición orgánica del metal

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REACCIONES

• Mezcla/calcinación
• BaCO3 TiO2 ? ?T BaTiO3 CO2?
• Co-precipitación de disolventes
• Ba2 TiO2 CO2O42- ? (H2O) BaTi(C2O) 24H2O ?
  ?T BaTiO3 4 H2O ? 4CO2 ?
• Procesado hidrotérmico
• Ba2 TiO2 H2O ? BaTiO3 2H2O
• Descomposición orgánica del metal

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Mezcla/Calcinación

• Mezclar los componentes seguidos de una
  calcinación y después molerlos.
• Directo
• Rentable
• La calcinación de alta temperatura produce un
  polvo aglomerado que requiere ser molido
  defectos en el producto manufacturado en forma de
  inclusiones mal sinterizadas o de modificaciones
  indeseables del compuesto.
• Dificultad para alcanzar la homogeneidad, la
  estequiometría, y las fases deseadas para la
  cerámica de composición compleja.

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Co-precipitación de disolventes

• Los compuestos son precipitados de una solución
  precursora por la adición de un agente de
  precipitación
• un hidróxido.
• La mezcla de los elementos deseados se alcanza
  fácilmente, permitiendo así temperaturas más
  bajas.
• Los iones usados para proporcionar las sales
  solubles (por ejemplo, los cloruros del metal)
  pueden rezagarse en el polvo después de la
  calcinación, afectando las características en el
  material sinterizado.

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Proceso hidrotérmico

• Utiliza agua caliente bajo presión (sobre 100C)
  para producir los óxidos cristalinos.
• Los polvos cristalinos de estequiometría deseada
  y las fases se pueden preparar en las
  temperaturas perceptiblemente inferiores a las
  requeridas para la calcinación.
• La fase de la solución se puede utilizar para
  mantener las partículas separadas y para reducir
  al mínimo la aglomeración.
• Necesidad de las materias de base de reaccionar
  en un sistema cerrado para mantener la presión y
  para prevenir hervir la solución.

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Descomposición orgánica del metal

• El metal que contiene los productos químicos
  orgánicos reacciona con agua en un solvente no
  acuoso formando un hidróxido del metal o un óxido
  acuoso, o en los casos especiales, un óxido de
  metal anhidro.
• Control sobre la pureza y la estequiometría que
  pueden ser alcanzadas.
• Control de la atmósfera (si está requerido) y
  costo de los productos químicos. Sin embargo, el
  coste de productos químicos orgánicos del metal
  está disminuyendo con el mayor uso de las
  técnicas MOD.

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Procesado del polvo

• El procesado debe ser tan simple (el menor) como
  sea posible para alcanzar los estándares de
  funcionamiento apuntados.
• Los contaminantes indeseables y los defectos
  pueden entrar en el material.
• Mantener el proceso simple no es siempre posible
  cuanto más complejo el sistema material, más
  complejos son los requisitos del proceso.

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Formación del Verde (green forming)

• Uno de los pasos más críticos de la fabricación
  de la cerámica electrónica.
• Depende de la última geometría requerida para un
  uso específico.

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Densificación

• Altas temperaturas para eliminar la porosidad en
  cerámica verde.
• Técnicas
• sinterización sin presión cómoda y económica.
• presión en caliente se limita a formas simples.
• presión isostática en caliente (HIP) formas más
  complejas.

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APLICACIONES
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• FERROELECTRICIDAD
• PIEZOELECTRICIDAD
• PRINCIPALES APLICACIONES

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FERROELECTRICIDAD

• Definición capacidad que presentan ciertos
  materiales para retener información en su
  estructura cristalina, sin necesidad de estar
  conectados a una fuente de energía, como pilas o
  corriente eléctrica.
• La información es almacenada gracias a la
  polarización eléctrica que poseen, que puede ser
  activada por algún tipo de voltaje, y aun cuando
  éste sea retirado, la polarización persiste.
• La ferroelectricidad de un material depende de la
  estructura cristalina y de la temperatura.
• La ferroelectricidad decrece a medida que el
  tamaño de los granos disminuye.

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Materiales Ferroeléctricos

• Titanato de Bario BaTiO3
• Titanato Zirconato de plomo Pb(Zr,Ti)O3
• Titanato Zirconato de Plomo Lantamio
  Pb1-xLaxZr1-yTiyO3
• Titanato de Bismuto Bi4Ti3O12
• Titanato de Bario Estroncio(Sr,Ba)TiO3
• Todos estos materiales son sintéticos y tienen
  dos propiedades importantes piezoelectricidad y
  ferrrolectricidad.
• El titanato de bario es el más popular porque fue
  el primer compuesto sintetizado.

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PIEZOELECTRICIDAD

• Definición deformidad que se produce únicamente
  en materiales cerámicos al incidir sobre ellos
  una corriente alterna de alta frecuencia,
  produciendo una dilatación y contracción que
  origina vibraciones mecánicas, comportándose así
  el material como un emisor sonoro.
• Para que la materia presente la propiedad de la
  piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas
  que no tengan centro de simetría (que posean
  disimetría) como los cerámicos.

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• Efecto piezoeléctrico directo esfuerzos de
  compresión sobre el material reducen la distancia
  entre los dipolos unitarios, el material varía
  la densidad de carga en los extremos de la
  muestra y así cambia la diferencia de potencial
  entre estos extremos, si están aislados uno del
  otro.

(Energía mecánica ? Energía eléctrica)

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• Efecto piezoeléctrico inverso aquí aplicamos un
  campo eléctrico a través de los extremos de la
  muestra, la densidad de carga en cada uno de los
  extremos de la misma cambiará, La muestra sufre
  un ligero alargamiento, debido al incremento de
  la carga positiva que en uno de sus extremos
  atrae a los polos negativos de los dipolos, con
  un comportamiento contrario en el otro extremo de
  la muestra.

(Energía eléctrica ? Energía mecánica)
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PRINCIPALES APLICACIONES

• Condensadores (almacenan y modulan la energía).
• Pendrives (retienen la información sin una fuente
  externa).
• Materiales electroópticos (cierran y abren ondas
  electromagnéticas en fibras ópticas).
• Tocadiscos, vinilos, micrófonos, transmisiones de
  radio.
• Válvulas ultrasensibles.
• Aplicaciones de los cerámicos en Ultrasonidos y
  Ecografía.

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• Se ha logrado un material que es más resistente a
  la torsión que el diamante, mezclando partículas
  del mineral estudiado, titanato de Bario y
  estaño fundido. El diamante era considerado hasta
  ahora, el material más rígido conocido.
• Aplicaciones útiles, tal vez para hacer fundas
  protectoras contra impactos.

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CONCLUSIÓN
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• Aislante a temperatura ambiente.
• Comportamiento dieléctrico, (momento permanente
  propio). Si aumentamos un poco la temperatura, el
  momento dipolar se anula.
• Al disminuir la temperatura, los iones se
  desplazan, aparece un momento dipolar eléctrico
  propiedades ferroeléctricas.
• Piezolelectricidad buen transductor
  de la electricidad
• Gamma de aplicación amplia, en el ámbito de la
  electricidad, las comunicaciones y la
  electrónica.

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FIN DE LA PRESENTACIÓN