Ceramica e Materiali Sinterizzati per ottenere la Piezoelettricità nel Lavaggio a Ultrasuoni
Con “piezoelettrico” si definisce l’effetto per cui in un oggetto si produce questo fenomeno fisico: ad una variazione della lunghezza tra due facce opposte corrisponde una variazione di tensione misurata sempre sulle stesse facce, ad es. la tensione misurata sui poli aumenta proporzionalmente all’ allungamento. Nel caso contrario ad un’accorciamento corrisponde una diminuizione proporzionale della tensione fino a diventare negativa.
Nel 1880 i due fratelli Jacques e Pierre Curie scoprirono questo fenomeno su alcuni minerali cristallini, come ad es. il quarzo, e dal greco “piezein” lo chiamarono PIEZOELETTRICO. Moltissime furono subito le applicazioni di questo effetto, ma quella che a noi più interessa è la trasformazione (trasduzione) di energia elettrica in vibrazione meccanica. Infatti generando ai poli degli elementi PZT una tensione sinusoidale, cioè che varia continuamente dal positivo al negativo e viceversa, gli elementi si allungano e si restringono con frequenze molto alte (33.000 Hz nel ns. caso).
Nel nostro settore del lavaggio sono necessarie potenze molto elevate e questo è stato possibile solo con la messa a punto di speciali materiali ceramici ottenuti con la sinterizzazione di polveri fini di ossidi metallici, generalmente titanio o zirconio con piombo o bario (PbTiO2 -PbZrO3-BaTiO3) , in proporzioni bene codificate e poi riscaldate in modo da miscelarsi uniformemente.
Il tutto viene impastato con materiale organico legante ed immesso in stampini con forme diverse per ottenere i vari modelli: dischi, anelli, placche, tubi, ecc. Il materiale viene riscaldato per un tempo determinato, durante il quale le polveri sinterizzano ed assumono una struttura molto compatta. Infine i pezzi raffreddati vengono lavorati meccanicamente per ottenere le dimensioni precise desiderate ed in ultimo sulle facce vengono applicati gli elettrodi (generalmente argento applicato con metallizzazione sottovuoto).
A questo punto si ha un prodotto che alla temperatura sopra al punto di Curie ha una semplice struttura cristallina con simmetria cubica e dipoli senza alcuna carica elettrica, mentre appena sotto il punto di Curie la struttura assume una simmetria tetragonale o romboidale ed i dipoli presentano una carica elettrica.
Struttura cristallina di una ceramica piezoelettrica
Temperatura sopra il punto di Curie
Struttura reticolare con disposizione simmetrica delle cariche positive e negative
Temperatura sotto il punto di Curie
Struttura tetragonale (ortorombica), i cristalli (dipoli) presentano cariche elettriche orientate
A questo punto i dipoli carichi, ma disposti casualmente nella struttura reticolare, devono essere orientati nello stesso senso (polarizzati) al fine di ottenere il massimo effetto piezo-elettrico. Allora il materiale viene riscaldato fino poco al di sotto del punto di Curie e contemporaneamente viene sottoposto ad un forte campo elettrico per cui i dipoli si orientano nello stesso senso. Quando il campo elettrico viene tolto la maggior parte dei dipoli conserva l’ orientamento assunto, cioè il materiale mantiene la polarizzazione cioè l’ effetto piezoelettrico al massimo rendimento.
Polarizzazione del materiale ceramico sottoposto ad un forte campo di corrente continua, ad una temperatura di poco inferiore al punto Curie
