MEDIDAS DO COEFICIENTE PIEZOELÉTRICO d31 DO

MEDIDAS DO COEFICIENTE PIEZOELÉTRICO d31 DO
COMPÓSITO PVDF-HFP/PZT EM DIFERENTES CONDIÇÕES
DE POLARIZAÇÃO.
.
Luiz F. Malmonge1*, Marcos Vinícius M. de Menezes, José A. Malmonge, Walter K. Sakamoto
1
UNESP- Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Departamento de Física e Química – Grupo de Polímeros Av. Brasil 56 centro, Ilha Solteira – SP, CEP: 15385-000, *[email protected].,
[email protected], [email protected], [email protected].
Measures of Piezoelectric Coefficient d31 of PVDF-HFP/PZT composite at different poling conditions.
Piezoelectric behavior of thin film of poly(vinylidene fluoride-hehafluoropropylene) – PVDF-HFP copolymer and lead
zirconate titanate PZT piezoceramic was investigated. Samples were obtained using a hot press in the thickness range of
100 μm. Six PZT contents of were used, i.e., 10, 20, 30, 40, 50 and 60 vol %. The poling behavior of the PVDFHFP/PZT composites as a function of temperature, applied electric field and polarization time was studied. The
piezoeletric coefficient d31 was measured by an differential electrometer using the null method. The results showed an
increase of the piezoeletric coefficient d31 of 0,2 pC/N (copolymer pure) for 11 pC/N at composites contend 60% vol of
PZT. The temperature and the electric field had shown to have direct influence in the piezoelectric activity of the
composite. The addition in the value of the piezoelectric coefficient with the increase of the field and the temperature
indicated the existence of ideal conditions of polarization.
A descoberta do efeito ferroelétrico e sua
aplicação prática favoreceram um rápido crescimento
das pesquisas na área de Ciências dos Materiais, em
busca de novos materiais, cujas propriedades os
qualifiquem como os melhores para específicas
aplicações. Assim, compósitos ferroelétricos com
polímeros e copolímeros convencionais(1-3), passaram a
ser objetos de estudo na área dos ferroelétricos e têm
sido
amplamente
utilizados
como
sensores
piezoelétricos por combinar a flexibilidade e
resistência mecânica do polímero com a alta atividade
piezoelétrica da cerâmica. Tais compósitos são usados
na ultra-sonografia na área médica(4), como sensor de
vibrações(5), como detector de emissão acústica(6) entre
outras aplicações. Neste trabalho o comportamento
piezoelétrico do compósito do copolímero poli(fluoreto
de vinilideno–hexafluoropropileno) PVDF-HFP com a
cerâmica Titanato Zirconato de Chumbo – PZT foi
investigado através de medidas do coeficiente
piezoelétrico d31, em função das condições de
polarização e da fração de cerâmica no compósito.
piezoelétrico d31 foi medido utilizando-se um eletrômetro
diferencial pelo método nulo. Esse método depende do
cancelamento da carga de polarização gerada pelo efeito
da piezoeletricidade, quando o filme é deformado
mecanicamente.
Resultados e Discussão
Estudou-se o comportamento piezoelétrico do
compósito PVDF-HFP/PZT para várias composições em
função do tempo, da temperatura e do campo de
polarização, através das medidas do coeficiente
piezoelétrico longitudinal d31. Também foram medidos os
valores dos coeficientes piezoelétricos d31 em função da
fração de cerâmica no compósito.
A figura 1 exibe os valores do coeficiente
piezoelétrico d31 em função do tempo de polarização, de
um filme do compósito PVDF-HFP/PZT na composição
50/50, polarizado a uma temperatura de 90ºC com um
campo de 10 MV/m.
Coeficiente Piezoelétrico d31 (pC/N)
Introdução
Experimental
Filmes finos do compósito PVDF-HFP/PZT
nas composições 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40,
50/50 e 40/60, em volume, foram obtidos por
prensagem a quente a uma temperatura de 180ºC sob
uma pressão de 75MPa. Eletrodos de alumínio em
formatos retangulares foram depositados em ambas as
faces do filme, para contatos elétricos. O coeficiente
PVDF-HFP/PZT (50/50) % vol
18
15
12
9
6
Ep: 10 MV/m
Tp: 90ºC
3
0
0
15
30
45
60
75
90
105
120
Tempo de polarização ( min)
Figura 1- Coeficiente piezoelétrico d31 de uma amostra do
compósito PVDF-HFP/PZT na composição 50/50 em função
do tempo de polarização.
514
contendo 60% de PZT em sua composição. Esses valores
são superiores a vários compósitos descritos na
literatura(7,8).
12
Coeficiente Piezoelétrico d31 (pC/N)
Nota-se da Figura 1, que os valores do
coeficiente piezoelétrico d31 são praticamente
constantes em todo o tempo de polarização, indicando
que a polarização pode ser obtida para tempos curtos.
O comportamento do coeficiente piezoelétrico
d31 de um filme do compósito na composição 50/50,
polarizada em um tempo de 30 min com um campo de
10 MV/m, em função da temperatura é ilustrado na
Figura 2. Nota-se que o valor do coeficiente
piezoeletrico d31, atinge seu valor máximo a uma
temperatura de 75ºC, seguido por um decréscimo para
valores maiores de temperatura. Esse decréscimo
possivelmente está relacionado com mudanças na
estrutura da matriz polimérica.
Ep = 10 MV/m
o
Tp = 90 C
tp = 30 min
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
Conteúdo de PZT no compósito (% vol)
Coeficiente Piezoelétrico d31 (pC/N)
12
Figura 4 - Coeficiente piezoelétrico d31 de amostra do
compósito PVDF-HFP/PZT nas composições 90/10, 80/20,
70/30, 60/40, 50/50, 40/60 e do copolímero puro.
50/50 PVDF-HFP/PZT % vol.
11
10
9
Conclusões
8
tp = 30 min
Ep = 10 MV/m
7
6
15
30
45
60
75
90
105
Temperatura de Polarização (ºC)
Figura 2 - Coeficiente piezoelétrico d31 de um filme do
compósito PVDF-HFP/PZT na composição 50/50 em
função da temperatura de polarização.
Na figura 3 são apresentados os valores do
coeficiente piezoelétrico d31 de um filme do compósito
na composição 50/50 polarizado a uma temperatura de
90ºC em um tempo de 30 minutos, em função do
campo de polarização. Observa-se que o coeficiente
piezoelétrico d31 aumenta com o campo, tendendo a
uma saturação para campos mais elevados, a partir de
15 MV/m, indicando a existência de um campo crítico,
acima do qual não haverá aumento do valor do
coeficiente piezoelétrico d31.
Filmes do compósito PVDF-HFP/PZT flexíveis,
com boa qualidade e homogeneidade superficial, foram
obtidos por prensagem a 180ºC sob 75 MPa de pressão. O
comportamento piezoelétrico foi estudado através do
coeficiente piezoelétrico d31. Os valores obtidos nas
medidas dos coeficientes d31 em função da temperatura e
do campo indicam a existência de condições ideais de
polarização a uma temperatura de 75ºC e um campo
elétrico de 15 MV/m. Estes resultados qualificam o
compósito PVDF-HFP/PZT como uma alternativa para
aplicações na área de sensores.
Agradecimentos
A FAPESP pelo apoio financeiro.
Referências Bibliográficas
1.
Coeficiente Piezoelétrico d31 (pC/N)
12
50/50 - PVDF-HFP/PZT % vol
10
2.
8
3.
4.
6
Tp = 90 ºC
tp = 30 min
4
0
4
8
12
16
5.
20
Campo Elétrico de polarização (MV/m)
Figura 3 - Coeficiente piezoelétrico d31 de um filme do
compósito PVDF-HFP/PZT na composição 50/50 em
função do campo elétrico aplicado.
Os valores do coeficiente piezoelétrico d31 dos
filmes dos compósitos em função da fração da
cerâmica PZT, são apresentadas na Figura 4. Nota-se
que o coeficiente piezoelétrico d31 cresce com o
aumento do volume da cerâmica no compósito,
atingindo um valor de 11 pC/N para a amostra
6.
7.
8.
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515