Similar a la conductividad térmica. En este caso los portadores son

Propiedades Eléctricas: Clasificación
Similar a la conductividad térmica. En este caso los portadores son:
electrón, huecos, iones
Metales: Siempre hay electrones en la banda de conducción
Semiconductores: Banda de conducción vacía. Depende de la
temperatura y composición
Aislantes: El gap energético entre bandas es muy grande
1
Propiedades Eléctricas: Conductividad
Los materiales cerámicos cubren un
rango de conductividades electricas
de 20 ordenes de magnitud
Los semiconductores pueden
doparse obteniendose cambios
drasticos de conductividad
Portadores no electrones sino iónes:
Especialmente en óxidos y haluros.
Movimiento de los iones, si se supera la
energía de potencial (u).
2
Propiedades Eléctricas: Conductividad. Aislantes
Características requeridas:
Elevada resistividad eléctrica (ρ ≥ 1012Ωcm) y resist. dieléctrica (DS ≥ 5.0
kV/mm)
Constante dieléctrica pequeña (k’ ≤ 30)
Libre de impurezas, estabilidad química
Elevada conductividad térmica (disipación del calor)
Resistencia mecánica
Protección ambiental (resistente a cambios de humedad y temperatura)
Clasificación:
• Vidrios (silicatos, boratos, fosfatos, germanatos) Tg (ºC), α (K-1) importantes
• Porcelanas (≥10%glass)
Triaxial 40-60wt% Kaolinita+ 20-35wt% feldespato + 20-30wt% SiO2
No-feldespáticas: esteatitas, forsteritas, cordieritas, espinelas, mullitas
• Cerámicas densas: óxidos: (Al2O3, BeO, ZrO2…) no óxidos (AlN, BN,…)
Cuando se requieren elevadas propiedades dieléctricas hay que minimizar la
cantidad de fase vítrea
3
Propiedades Eléctricas: Conductividad. Aislantes
Silicio: facil de oxidar
CIRCUITOS INTEGRADOS
4
Propiedades Eléctricas: Aislantes. Prop. Termomec.
Resistencia mecánica
a elevada T
Resistencia al choque
térmico
Materiales
compuestos, uniones
o recubrimientos:
dilatación térmica
diferencial
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Propiedades Eléctricas: Aislantes. Ejemplos
¾Substratos cerámicos: importante que la expansión térmica sea similar a la
del Si. Ventaja de los cerámicos (Al2O3, AlN) frente a los plásticos y vidrios (∆α)
250ºC: plasticos y vidrios no. Alumina más inerte y mejor conductividad
térmica.
¾Líneas de alta tensión: resistencia mecánica (peso de cables HT), baja
absorción agua (porcelanas: vitrificación). Arco en presencia de humedad.
¾Bujías de encendido: Alúmina (1-3 KV, 10.4 MPa, 2400ºC, 50 cps)
6
Propiedades Eléctricas: Semiconductores
Materiales con gap de energías
entre la banda llena y la banda
de conducción pequeños.
Efecto Temperatura
NiO, Fe2O3, CoO: Tª ambiente
10-16 (Ω·cm)-1, 1000 K 10-4 – 102 (Ω·cm)-1
Adición de dopantes: falta de
estequiometría
Propiedades semiconductoras.
TiO2, ZnO, Al2O3, SiC, BaTiO3.
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Prop. Eléctricas: Semiconductores. Polarización
•Fenómeno descubierto en 1921. Polarización eléctrica espontánea por
la aplicación de un campo eléctrico por debajo de la Temperatura de
Curie
•La polarización se puede producir, en general, por la aplicación de un
campo eléctrico (condensadores), tensión mecánica (piezoeléctricos),
temperatura (piroeléctricos), luz (electroópticos)
•Estos efectos se producen en los cristales ferroelectricos.
ANISOTROPOS. No presentan centro de simetría
Temperatura de Curie
BaTiO3: tetragonal ↔cúbica
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Prop. Eléctricas: SC. Condensadores
Existen materiales cerámicos con elevada constante dieléctrica
C = ( ε 0 K' A ) / t
microchips
Se necesita:
9K’ y RD elevadas
9Área elevada y espesor
pequeño (multicapas: en
serie)
9Factor de disipación
pequeño
9Estabilidad térmica
1910: 40 cm
1943: 9 cm
1970: <1cm
9
Prop. Eléctricas: SC Condensadores
Condensadores de BaTiO3
Condensador cerámico básico (-55 + 125ºC) TC=130ºC
Aditivos
Se produce una reducción de la variación de C con la
temperatura y un aumento de K’ mediante:
Formación de Soluciones sólidas con el BaTiO3:
Reducción tamaño de grano
10
Prop. Eléctricas: SC Cerámicas piezoeléctricas
Curie 1880. Conversión presión-electricidad
Efecto directo: la polarización eléctrica se genera por una tensión
mecánica
Efecto indirecto: la aplicación de un campo eléctrico produce movimiento
mecánico (vibración)
Evolución Piezoeléctricos cerámicos
1900.- Vibración del cuarzo por ondas de radio.
Sintonización
1930.- Micrófonos. monocristal piezoeléctrico (sal
de Rochelle) está conectado a un diafragma que
vibra a la misma frecuencia que las ondas del
sonido. El piezoeléctrico produce la señal eléctrica
1941.- BaTiO3 Primer piezoeléctrico policristalino.
Primera aplicación: SONAR para pesca
1954.- Titanato circonato de plomo (PZT),
Pb(Zr,Ti)O3 Material con mayor coeficiente
termomecánico que BaTiO3
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Prop. Eléctricas: SC Cerámicas piezoeléctricas
Comparación PZT – BaTiO3
1.- Mayor coeficiente electromecánico
2.- Mayor T. Curie (490ºC) Aplicación mayores temperaturas
3.- Fácilmente polarizable
4.- Amplio rango de ctes dieléctricas
5.- Fácil de sinterizar
6.- Forma distintas soluciones sólidas / propiedades
Aditivos-Dopantes
1.- Donores: Nb+5 (Zr+4) La+3 (Pb+2). PLZT Resistividad ↑, cte
dieléctrica↑ → hidrófonos, altavoces (Baja freq.)
2.- Aceptores: Fe+3 (Zr+4) cte dieléctrica↓, pérdidas dieléctricas↓ →
sonar, transductores ultrasonidos (Alta Freq.)
3.- Isovalentes: Ba+2, Sr+2 (Pb+2); Sn+4 (Zr+4) TC↓.
12
Prop. Eléctricas: SC Cerámicas piroeléctricas
Polarización eléctrica por un cambio pequeño de temperatura
∆P = λ ∆T
Triglycin Sulfate (TGS)
Aplicaciones limitadas por su solubilidad en agua y su baja TC
LiTaO3
Gran estabilidad (-55-100ºC). Sensor infrarrojo en cocinas, alarma intrusos
Camaras IR
Pb(Zr,Ti)O3 PZT
Insolubles en agua, TC↑ Depende de la composición. Puertas automáticas
prestaciones =
λ
k' Cv
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Prop. Eléctricas: SC Cerámicas ferroeléctricas
Ferroeléctricos transparentes, se polarizan con la luz
Dependiendo del tamaño de grano se puede modificar:
Capacidad de dispersión de la luz (G.S >2 micras)
Birrefringencia óptica (retraso fase óptica) (G.S< 2 micras)
PLZT, circonato-titanato de plomo modificado con lantano. Reducción de
la anisotropía y eliminación de porosidad (Hot Pressing en oxígeno, coprecipitación polvos) respecto a PZT
Aplicaciones
Optical Shutter: optoelectrónica.
Mensajes codificados
Gafas protectoras
(Thermal/Flashblindnessgoggles)
+FOTODIODO (X1000 OJO)
Tiempo respuesta:1/200,000,000 s
Celula Kerr
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Prop. Eléctricas: SC Termistores
2.3.3.6 Termistores
Sensores de temperatura, negativos (NTC) o positivos (PTC)
NTC
Medidas precisas de temperaturas, control de la temperatura en ordenadores,
automoción, medicina…
En función del rango de temperaturas: Termistores de baja, media y alta
temperatura. (Interruptor, calentador, sensor)
Resistencia Pt
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Prop. Eléctricas: SC Termistores NTC
Relación Resistencia Temperatura:
  1 1 
Q
R = R´exp  R = R0 exp  B − 
 kT 
  T T0 
B = factor beta =cte
1 dR
α=
R dT
 B 
2
 T 
α = −
Relación Corriente-Tensión
Pot = VI = K∆T
K= Cte disipación térmica
K Depende de la atmósfera y
dimensiones del termistor → sensor
vacío, hipsómetro
Tiempo de respuesta del termistor

 t 
T = T0 + (T1 − T0 ) 1 − exp − 
 τ 

τ = cte de tiempo térmica = Cp/K
Cp= capacidad calorífica
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Prop. Eléctricas SC: Termistores
Propiedades Fundamentales
¾ Constante B (α) ↑, dopantes y tamaño grano ↓
¾ Coeficiente disipación térmico K↑ → area
superficial ↑
¾ Constante de tiempo τ ↓ → Cp↓ → volumen ↓
Termistores pequeños
y gran área superficial
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Prop. Eléctricas SC: Termistores PTC
PTC
Efecto PTC en BaTiO3 con estructura perovskita:
Parámetros Importantes:
TC transformación tetragonal → cúbica (perovskita) → dipolos eléctricos
Pendiente (dρ/ρodT) a T>TC
TB Transformación ortorrómbica tetragonal
Formación de barreras de potencial en juntas de grano
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Prop. Eléctricas SC: Termistores
Influencia porosidad
La magnitud del efecto PTC depende de la
densidad de sinterización
Influencia estequiometría
Exceso de BaO (<3mol%) tamaño de grano↓
Exceso TiO2 (>2 mol%) tamaño grano ↑↑↑
Aplicaciones
Sensores. Sistemas de
control de temperatura
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Prop. Eléctricas SC: Varistores
Cerámicas basadas en ZnO con un comportamiento corriente-tensión no
lineal. Barreras de potencial en las juntas de grano (semiconductores)
Protectores de frente a sobretensiones en circuitos y líneas de alta tensión
Curva tensión-corriente característica
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Prop. Eléctricas SC: Varistores
Fabricación y microestructura
Principal constituyente ZnO (>80mol%) semiconductor
(ρ ≤ 1 Ω.cm)
Aditivos: Bi2O3, Sb2O3, MnO, Co3O4, B2O3, Cr2O3…
Desempeñan distintas funciones:
Aumentan la no linealidad Bi2O3
Facilitan su densificación: Bi2O3, Sb2O3, …
Limitan crecimiento grano: Sb2O3
Estabilidad, uniformidad de la conducción, disipación de potencia…
Sinterización aire 1200ºC
Granos redondeados de ZnO
Cristales poligonales espinela (Zn7Sb2O12)
Fase intergranular rica en Bi
Tamaño de grano ~10 µm
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Prop. Eléctricas SC: Varistores
Efecto Varistor en las juntas de grano
Se puede considerar que el responsable del efecto varistor es el Bi2O3
Existe un gradiente químico del Bi en las juntas de grano
La incorporación de los aditivos en las juntas de grano originan una
doble capa de depleción.
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Prop. Eléctricas SC: Varistores
Aplicaciones
Dispositivos para protección frente a transitorios eléctricos en
aparatos electrónicos
Protecciones de sistemas de distribución y transmisión de potencia
eléctrica
40-50 mm
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Prop. Eléctricas SC: Sensores de gases
Cambio de resistividad eléctrica cuando el gas se adsorbe en la superficie
del sensor
Gases Combustibles
SnO2-ZnO (thin films) con activadores (Pt, Pd). Resistividad reacción química
gases con el oxígeno superficie
Ag-SnO2; PdCl-ZnO sensores de H2
V-Mo-Al2O3 + ZnO hidrocarburos halogenados
NiO-SiO2-Al2O3 + ZnO C2H5OH
LnMO3 (Ln= La-Gd, M=Cr, Fe, Co) alcoholes.
ZrO2 - gases escape motores (conductor iónico).
Humedad
Conductores iónicos: cerámicas porosas MgCr2O4-TiO2; TiO2-V2O5; ZnCr2O4LiZnVO4, portadores: H+ disociado del agua
Conductores electrónicos: óxidos estructura perovskita, ZrO2-MgO. Electrones
transferidos por las moléculas de agua quemiabsorbida.
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Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras
Clasificación según los portadores y la magnitud de la conductividad
Conductores eléctricos
Óxidos con estructura perovskita (ABO3). ReO3, WO3, LaCoO3.
Monóxidos (TiO…), dióxidos (VO2, ReO2…), sesquióxidos (Ti2O3, V2O3)
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Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras
Superconductores
Transición comportamiento metálico-superconductor por debajo una
temperatura. Conducción sin pérdidas. Cupratos.
1911 Mercurio T = 4 K
1970 Nb3Ge T = 23 K
1986 La2-xBaxCu2O4 T = 40 K
1987 YBaCu3O7
T = 90 K
1990 TlmCan-1Ba2CunO2n+m+2
T = 90-125 K
BimCan-1Sr2CunO2n+m+2
Aplicaciones:
Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)
Cables de transmisión de potencia
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Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras
Conductores iónicos
Materiales con elevada conductividad eléctrica por movimiento iónico,
(Cationes o Aniones)
Conductores catiónicos
Li+ : Li4ZrO4, Li2O, Li5AlO4 3·10-4 (Ω·cm)-1 Baterias.
Na+: Nasicon (Na3Zr2PSi2O12) 2.3·10-4 (Ω·cm)-1. Procesos electroquímicos
β−Al2O3 (Na2O. 9Al2O3). Sensores Metales fundidos
H+: HxWO3, HxMoO3; H3O+,
Conductores aniónicos
F-: estructuras fluorita: PbSnF4, HN4Sn2F5
Ion Oxígeno: ZrO2, CeO2, ThO2, Bi2O3 (estructura fluorita)
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Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras
El más utilizado es la circonia (ZrO2) estabilizada con CaO ó Y2O3
Conducción: difusión de O-2 a través de la red. Es función de T y PO2
Sensores en motores de automóvil para monitorizar mezclas air-fuel,
eficiencia combustión
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Prop. Eléctricas: Cerámicas conductoras
Fuell Cells
Conversión E química E eléctrica
Cerámicas ion-conductoras bajo evaluación: ZrO2 estabilizada
Dos compartimentos: Fuel (H2, CO) - Oxidante (aire, oxígeno)
T = 1000 C
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Propiedades Opticas
Interacción de las cerámicas con la luz: Comportamiento Óptico
Absorción; Trasnparencia; Color, Emisión, Refracción
Absorción y Transparencia
En general las cerámicas iónicas son transparentes, mientras que las covalentes
varían su nivel de transmisión óptica.
Importante: Impurezas, porosidad, juntas de grano
Alúmina policristalina (>1micra) translucida
Alúmina monocristal (corindón): transparente
Fibra óptica
Transparencia en función de la longitud de onda:
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Propiedades Opticas: Transparencia
Vidrios y cerámicas iónicas: rango visible
(0.4-0.7 µm)
MgO, Al2O3, SiO2 fundida:
(0.2-0.4 µm)
(0.7-3.0 µm)
(>1000 µm)
MgO, ZnS, ZnSe:
ultravioleta
parte del infrarrojo
radar
infrarrojo y radar
Ventanas Electromagnéticas:
Aviones: Transparentes a las comunicaciones,
luz visible
Misiles : Radome, cubierta de la punta del misil,
→ sistema de guía
Space Shuttle, transparentes comunicaciones
radio, microondas, luz visible, pero resistentes
al choque térmico
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Propiedades Opticas
Color
Absorción de la parte estrecha de la región visible. Elementos de
transición: Cr+2 (azul), Cr+3 (verde), Cu+2 (azul verdoso), Cu+ (incoloro)
Pigmentos cerámicos, esmaltes en porcelanas…
Coloración de las piedras preciosas de circonia cúbica:
V (verde); Ce (amarillo-naranja-rojo); Fe (amarillo); Co (lila); Eu (rosa)
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Propiedades Opticas
Fosforescencia
Emisión de la luz por su excitación con la fuente de energía apropiada.
Luces Fluorescentes, Fosfato halogenado (Ca5(PO4)3(Cl,F) o Sr5(PO4)3(Cl,F)
dopado con Sb, Mn) Emisión de luz por efecto de la radiación ultravioleta del
gas (Hg) interior.
Pantallas de TV, varios compuestos de fósforo para TV color
Osciloscopios, electroluminiscentes
Láser
Al2O3 dopado con Cr+3 (laser rubí) λ = 0.694 µm
YAG láser: Y3Al5O12 dopado con Nd+3 λ = 1.06 µm
Dimensiones: barra cilíndrica φ = 0.3-1.5 cm con los extremos pulidos λ/10
(λ=0.59 µm)
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Propiedades Magnéticas
Materiales ferro y ferri-magnéticos que presentan el efecto de histéresis.
Metales de transición, tierras raras y cerámicos.
Ferritas:
Desde 1940. Un gran número de composiciones y estructuras cristalinas:
1.- Todos son óxidos
2.- El componente mayoritario es Fe2O3
3.- Presentan inducción magnética espontánea en ausencia de un
campo magnético
Ferritas blandas: imanes temporales
Ferritas duras: imanes permanentes
Elevada resistividad eléctrica
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2.3.6 Propiedades Magnéticas
Existen tres tipos de acuerdo con su estructura cristalina: Cúbicas (ferritas
blandas: espinela y granate) hexagonales (ferritas duras)
2.3.6.1 Ferritas espinela
Estructura AB2O4 (MgAl2O4).
Anisotropía. Materiales magnetoestrictivos (similar a un piezoeléctrico),
transductores, mecanización por ultrasonidos
Para las grabadoras de audio o video la magnetostricción debe ser muy baja
Telecomunicaciones
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2.3.6 Propiedades Magnéticas
2.3.6.2 Ferritas granate (garnet)
Y3Fe5O12 (YIG). Estructura cúbica como el granate (Ca3Al2(SiO4)3
Aplicaciones similares a las espinelas
2.3.6.3 Ferritas hexagonales
Estructura de la magnetoplumbita (PbFe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5O19). Compuestos del
sistema BaO-MeO-Fe2O3. El compuesto más importante es BaFe12O19.
Son muy anisótropos, imanes permanentes.
Motores eléctricos, grandes altavoces, separadores magnéticos minería,…
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