Crescimento e caracterização de monocristais piezoelétricos livres de chumbo

Resumo

Uma parcela significativa dos avanços alcançados nas últimas décadas no desenvolvimento de sensores e transdutores piezoelétricos confunde-se com os progressos atingidos na área de Ciência dos Materiais, e em particular, com os materiais piezoelétricos. Este fato deve-se primeiramente as excelentes propriedades piezoelétricas, dielétricas, eletrostrictivas e ferroelétricas, entre outras, encontradas nos materiais piezoelétricos. Em segundo lugar, destaca-se a relativa facilidade de se produzir materiais piezoelétricos na forma policristalina, ou seja, na forma de cerâmicas e filmes finos, e mais recentemente na forma de monocristais volumétricos (cristais com grandes dimensões). Em 1997 foi divulgada a viabilidade de produção de monocristais piezoelétricos volumétricos (grandes dimensões) da família do (1-x)[Pb(Mg1/3, Nb2/3)O3]-(x)PbTiO3. Esta viabilidade deu-se graças ao emprego da técnica Bridgman vertical de crescimento de cristais e do simultâneo controle e manipulação da solução fundida. As propriedades físicas destes monocristais revelaram-se significativamente superiores as obtidas nos materiais cerâmicos. Como exemplo, monocristais apresentam fatores de acoplamento eletromecânico, k33, da ordem de 93%, constante dielétrica, K3, 30.000 e coeficiente piezoelétrico, d33, maior que 2300 pC/N. Foi somente a partir do uso destes monocristais, que as indústrias passaram a produzir uma nova e superior geração de transdutores piezoelétricos ultrassônicos para imagens médicas, como descrito anteriormente. Embora as perovskitas a base de chumbo apresentem excelentes propriedades elétricas, nos últimos anos diversas restrições vem sendo impostas por órgãos governamentais em diversos países quanto a continuidade de produção e utilização de materiais contendo Pb., com isto, a busca por novas composições de piezocerâmicas com propriedades físicas similares, ou até mesmo superiores, as da perovskitas com Pb se tornou um dos grandes desafios cientítificos e tecnológicos da área. Entre as composições mais promissoras que podem vir substituir os materiais piezoelétricos com chumbo, certamente estão aquelas baseadas no sistema Niobato de Sódio e Potássio [(Na,K)NbO3 - KNN]. O KNN apresenta uma estrutura cristalina do tipo perovskita, como o PZT, e um rico diagrama de fase com vários Contornos de Fase Morfotrópico (CFM). Este fato é muito importante, pois representa a possibilidade de se maximizar as propriedades elétricas do KNN, principalmente as piezoelétricas, nas proximidades do seu CFM, a exemplo do PZT. Portanto, motivados por esta relevância científica e tecnológica, este projeto propõe o crescimento e a caracterização de propriedades físicas de monocristais piezoelétricos volumétricos a base de (Na,K)NbO3. Desta forma, a execução deste projeto irá estabelecer condições favoráveis tanto para a realização de estudos de cunho fundamental, quanto para a aplicação destes materiais no setor tecnológico. Este projeto tem como objetivo principal o crescimento e a realização de caracterizações estruturais e elétricas de materiais piezoelétricos monocristalinos volumétricos a base de (Na,K)NbO3 (KNN), produzidos através da técnica Bridgman vertical. Entre as principais metas e atividades a serem desenvolvidas neste projeto destacamos: 1) implantação da técnica Bridgman vertical; 2) estudo de propiedades térmicas (ex. temperatura de fusão, refratariedade e grau de incongruência) dos pós-precursores através de análises térmicas (DSC/DTA); 3) crescimento de monocristais piezoelétricos volumétricos de KNN, sem dopagem, livres de fases secundárias; 4) crescimento de monocristais piezoelétricos volumétricos de KNN, dopados com elementos di tipo "endurecerdores" e "amolecedores", para a produção de cristais piezoelétricos de altos e baixos fatores de qualidade, respectivamente; 5) caracterização de propriedades estruturais, piezoelétricas e dielétricas dos materiais produzidos. (AU)