ES2315322T3 - Placa piezoceramica y procedimiento para su fabricacion. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para fabricar una placa piezocerámica elásticamente alabeable (1), que comprende los pasos de: trituración de un material piezocerámico sinterizado para descomponerlo en un gran número de zonas parciales piezocerámicas (20a, 20b ...) (2); incrustación del gran número de zonas parciales (20a, 20b ...) en un material flexible (4) de modo que el gran número de zonas parciales (20a, 20b ...) estén unidas una con otra a través de zonas elásticas (30a, 30b ...) formadas por el material flexible (4); y secado o endurecimiento del material flexible (4).

Description

Placa piezocerámica y procedimiento para su fabricación.

La presente invención concierne a una placa piezocerámica y a un procedimiento para su fabricación.

Los elementos piezocerámicos se utilizan en muchos campos de la técnica, como, por ejemplo, en componentes para la técnica de vehículos automóviles, de aviones o de medicina, por citar sólo algunos sectores. Es sabido que los materiales piezoeléctricos varían su forma al aplicarles un campo eléctrico o generan una señal eléctrica cuando actúa una fuerza mecánica sobre el material piezoeléctrico. En otras palabras, bajo la acción de una presión mecánica estos materiales muestran el efecto de que se inducen cargas en su superficie, así como el efecto inverso de la variación de longitud o de espesor del material al aplicarle una tensión exterior.

En tiempos muy recientes, se han empleado materiales piezoeléctricos en sistemas actuadores. Tales sistemas actuadores se utilizan, por ejemplo, en la aviación para el control de alerones de rotor y similares. Se han empleado aquí las llamadas piezopilas (por ejemplo, documentos DE 196 48 545, DE 196 46 676) para transmitir su dilatación en longitud debido a un campo eléctrico, a través de una disposición de palancas, a los alerones dispuestos en una pala de un rotor.

Además, en el marco de nuevos desarrollos es apetecible poder controlar de manera adecuada una torsión de estructuras aerodinámicas. A este fin, se aplican, por ejemplo, capas o fibras piezoeléctricas sobre planos de sustentación de las alas o palas de rotor o bien se integran éstas en estructuras compuestas de fibras, como se describe, por ejemplo, por Hagood et al. en los documentos US 6,048,622 y US 5,869,189. Se revelan en estos documentos unas estructuras compuestas para captar y/o provocar deformaciones estructurales que, entre otros elementos, presentan una capa compuesta con fibras piezoeléctricas orientadas en paralelo y capas de electrodo interdigitalmente conformadas para la aplicación y/o la captación de una tensión eléctrica en la dirección axial de las fibras. Asimismo, se pueden construir de esta manera estructuras compuestas multicapa con una anisotropía deseada. Las fibras piezoeléctricas presentan típicamente un diámetro comprendido entre 5 y 200 \mum y están incrustadas en una matriz polímera blanda deformable, de modo que se origina una piezocapa de fibras a manera de lámina.

Sin embargo, tales piezocapas a manera de láminas adolecen del inconveniente de altos costes de fabricación que hacen que sólo sea limitadamente posible una aplicación comercial en grandes series. Asimismo, tales piezoláminas presentan una flexibilidad muy alta y, por tanto, tan solo una pequeña rigidez. Esto puede ser desventajoso para determinadas aplicaciones. Para aplicaciones en el sector de palas de rotor es necesaria una rigidez suficiente junto con una simultánea deformabilidad. Esto quiere decir que las piezoestructuras empleadas necesitan cierta resistencia y rigidez, así como la capacidad de adaptarse en cierta medida a estructuras curvadas sin que se produzcan fisuras en la estructura. En consecuencia, es necesario un compromiso entre resistencia y flexibilidad que no se consigue, o solo se consigue condicionalmente, por las piezoláminas conocidas.

Al mismo tiempo, se excluye el empleo de placas cerámicas sinterizadas hechas de material piezoeléctrico, ya que éstas no se adaptan a formas curvadas, sino que, debido a su alta fragilidad, se desgarran o se rompen en pedazos al alabearse.

El documento US 4,683,396 A revela un transductor compuesto de ultrasonidos y un procedimiento para su fabricación. En este caso, se producen en una cerámica piezoeléctrica unas escotaduras que se rellenan, por ejemplo, con un polímero o una resina epoxídica.

En el procedimiento de fabricación descrito en el documento JP 57207385 A para un elemento compuesto piezoeléctrico se rellenan también escotaduras practicadas en una cerámica piezoeléctrica, por ejemplo con una resina epoxídica.

En el documento US 5,440,193 se revela el empleo de una placa piezocerámica para captar o producir una deformación de una pala de rotor o de un plano de sustentación, formando la placa piezocerámica, en el forro exterior de la superficie, una estructura compuesta con este forro.

Por tanto, el cometido de la presente invención consiste en crear una estructura piezoeléctrica que, por un lado, presente una resistencia o rigidez suficiente y, por otro, sea flexible y alabeable, de modo que resulte adecuada para su aplicación sobre superficies bombeadas y para su integración en estructuras compuestas.

Este problema se resuelve por medio del procedimiento de fabricación de una placa piezocerámica según la reivindicación 1. Otras características, aspectos y detalles ventajosos de la invención se desprenden de las reivindicaciones subordinadas, de la descripción y de los dibujos.

A continuación, se explica la invención con más detalle ayudándose de los dibujos adjuntos, en los que muestran:

La figura 1, una representación tridimensional esquemática de una placa piezocerámica según un ejemplo para ilustrar la invención;

La figura 2, una representación ampliada de un fragmento de la estructura mostrada en la figura 1;

La figura 3, una representación bidimensional esquemática de la estructura mostrada en la figura 1;

La figura 4, una representación bidimensional esquemática de una placa piezocerámica con boquetes decalados;

La figura 5, una representación bidimensional esquemática de una placa piezocerámica con boquetes sinuosos; y

La figura 6, una representación tridimensional esquemática de una placa piezocerámica según la forma de realización de la invención.

La figura 1 muestra esquemáticamente en representación tridimensional una placa piezocerámica según un ejemplo para ilustrar la invención. La placa 1 consiste sustancialmente en un material de base 2 que es una cerámica piezoeléctrica. La cerámica piezoeléctrica 2 se fabrica, por ejemplo, por un procedimiento de sinterización conocido. Tales piezoplacas sinterizadas se pueden fabricar de manera sencilla, a bajo coste y con dimensiones arbitrarias. Dado que esta placa piezoeléctrica sinterizada con un espesor típico de 20 \mum a 500 \mum presenta una alta rigidez y es quebradiza, de modo que, al alabearse, se producen fisuras en la placa o incluso ésta se rompe, son necesarias medidas especiales para poder adaptar tales cerámicas piezoeléctricas a estructuras bombeadas o curvadas. Según la invención, se subdivide de manera adecuada la cerámica piezoeléctrica 2 en un gran número de zonas parciales, estando las distintas zonas parciales unidas una con otra por zonas elásticas de tal manera que resulte una estructura flexible que se puede adaptar fácilmente a estructuras bombeadas.

Estas zonas parciales se han designado en la figura 1 con los símbolos de referencia 2a, 2b ... y resultan, por ejemplo, de una línea imaginaria l_{1}, l_{2}, l_{3} a lo largo de las zonas 3. Es de hacer notar que las líneas imaginarias l_{1}, l_{2,} l_{3} son irrelevantes para el funcionamiento de la placa según la invención. Sirven únicamente para fines de descripción y, por tanto, para lograr una compresión más sencilla de la disposición. Por supuesto, el material de base 2 puede subdividirse imaginariamente también en otras zonas parciales.

Las zonas designadas con el número de referencia 3 en la figura 1 son boquetes o lumbreras que se producen en el material de base 2 con ayuda de una herramienta de corte no representada. La herramienta de corte puede ser aquí una estructura adecuada a manera de cuchilla o una estructura a manera de troquel provista de filos o una estructura similar. La herramienta de corte se aplica para ello a una superficie de la placa cerámica y a continuación se retira total o parcialmente el piezomaterial en las zonas 3. En el caso de una retirada total del material en las zonas 3, se trata de las llamadas lumbreras, tal como se representa en la figura 1. Sin embargo, si se retira únicamente una parte del material en las zonas 3, de modo que quede una zona de alma inferior 3a, como se representa en la figura 2, se trata de los llamados boquetes. Cabe hacer notar que en lo que sigue se emplea únicamente el término "boquetes". Sin embargo, el empleo de este término no significa que la presente invención esté limitada a la ejecución según la figura 2, sino que deberá incluir también la ejecución según la figura 1 y la de las estructuras siguientes.

Los boquetes 3 pueden estar dispuestos en la cerámica piezoeléctrica 2 a lo largo de una dirección preferente que se ha designado con la flecha A en la figura 3. La figura 3 muestra en representación bidimensional una vista en planta de la placa piezocerámica 1 representada en la figura 1. Como puede verse en la figura 3, las lumbreras están orientadas de manera uniforme y paralelamente una a otra con la dirección longitudinal mirando en la dirección de la flecha A. Las lumbreras presentan aquí típicamente una anchura de 20 \mum. Variando la anchura se puede variar el grado de flexibilidad o rigidez. Según la flexibilidad deseada, las lumbreras pueden estar también espaciadas una de otra en medida diferente. Se logra aquí una flexibilidad tanto mayor de la estructura terminada cuanto más juntas entre ellas estén dispuestas las distintas lumbreras.

Además, los boquetes 3 pueden estar dispuestos también en forma decalada uno respecto de otro, con orientación de los mismos en la dirección preferente A, tal como se representa esquemáticamente en la figura 4. La forma de los boquetes 3 no está limitada a una forma lineal o a una orientación determinada. Los boquetes pueden presentar también una configuración de forma ondulada (véase la figura 5) o una forma sinuosa arbitraria de otra naturaleza. La elección de la forma de los boquetes depende de cada caso de la finalidad de aplicación deseada o de la forma de la herramienta de corte empleada.

Una vez que se ha retirado el material de base 2 en las zonas 3, se llenan los boquetes 3 con un material flexible 4. El material flexible 4 es aquí, por ejemplo, un polímero, una resina epoxídica, una resina de impregnación u otro material aislante. Después de llenar las zonas 3 con el material flexible 4, es necesario en general un endurecimiento o secado, según cuál sea el material empleado. En caso de que el material flexible 4 se proyecte más allá de los cantos del contorno después de este paso de trabajo, es decir que sobresalga en las superficies O o U, es posible un amolado subsiguiente de modo que se obtenga una superficie lisa.

La placa piezocerámica 1 así obtenida se caracteriza especialmente por una resistencia o rigidez suficiente y puede ser alabeada elásticamente tanto en la dirección longitudinal L como en la dirección transversal Q (véase la figura 1). Esto hace posible una adaptación de la placa piezocerámica a superficies curvadas, tal como es necesario, por ejemplo, para su empleo en palas de rotor o planos de sustentación. Además, es ventajoso aquí el hecho de que la placa puede adaptarse también sucesivamente varias veces a formas con radios de curvatura diferentes, de modo que resulta posible una deformación reversible. Asimismo, en comparación con las capas o láminas piezoeléctricas conocidas, la estructura según la invención tiene la ventaja de que se alcanza un grado de llenado muy alto y se reducen considerablemente los costes de fabricación en comparación con piezocapas de fibras.

Para el contactado de los elementos piezoeléctricos son necesarias estructuras de electrodo, pero éstas, por motivos de una mayor claridad, no se han representado en las figuras 1 a 6. Las estructuras de electrodo pueden estar dispuestas sobre una o ambas superficies de la placa piezocerámica. Se pueden emplear aquí estructuras interdigitales u otras disposiciones adecuadas.

Asimismo, es de hacer notar que, después del llenado de los boquetes 3 con material flexible 4, se puede aplicar a la placa piezocerámica una tensión eléctrica para polarizar la piezocerámica. De esta manera, la polarización de las zonas piezocerámicas puede realizarse por separado de la fabricación de la placa piezoeléctrica propiamente dicha, lo que a su vez es ventajoso en aspectos de practicabilidad y manejabilidad.

La placa piezocerámica según la invención se fabrica de tal manera que primero se tritura el material de base de forma de placa consistente en cerámica piezoeléctrica 2. Esta trituración puede realizarse con ayuda de un mortero, una herramienta de prensado adecuada o nuevamente con una herramienta de corte a manera de cuchilla. Este material de base triturado representa las zonas parciales anteriormente citadas de cerámica piezoeléctrica, las cuales se han designado en la figura 6 con los números de referencia 20a, 20b ... Estas zonas parciales de material de base triturado se incrustan seguidamente en un material flexible 4 que es nuevamente un polímero, una resina epoxídica o similar. Las zonas parciales de cerámica piezoeléctrica 20a, 20b ... pueden estar distribuidas estadísticamente o pueden estar orientadas uniformemente en una dirección preferente determinada. Esto último se ha representado en la figura 6. Las zonas elásticas mencionadas al principio, las cuales unen el gran número de zonas parciales 20a, 20b ... una con otra, están constituidas en la forma de realización según la figura 6 por el material flexible 4 que rodea a las zonas parciales 20a, 20b ... Asimismo, el material flexible 4 puede subdividirse imaginariamente en diferentes zonas, lo cual se ha representado en la figura 6 por medio de las líneas L_{1}, L_{2} y L_{3} dibujadas a trazos. Resultan así las diferentes zonas elásticas que se han designado con los números de referencia 30a, 30b ...

La presente invención, que puede fabricarse a bajo coste, se caracteriza por una alta flexibilidad junto con, al mismo tiempo, una rigidez suficiente. La placa piezocerámica según la invención puede adaptarse fácilmente a superficies curvadas sin que se produzca fisuras o roturas en la placa. Esta capacidad de alabeo elástico hace posible también una deformación o curvado repetido. Además, esta placa piezocerámica flexible puede integrarse también de manera sencilla en estructuras compuestas. Asimismo, es posible una aplicación para captar y/o producir una deformación o torsión de estructuras bombeadas, como, por ejemplo, estructuras aerodinámicas. La placa según la invención puede aplicarse, por ejemplo, sobre planos de sustentación de aviones, palas de rotor, etc. o integrarse en tales estructuras de planos de sustentación.

Claims (4)

1. Procedimiento para fabricar una placa piezocerámica elásticamente alabeable (1), que comprende los pasos de:

trituración de un material piezocerámico sinterizado para descomponerlo en un gran número de zonas parciales piezocerámicas (20a, 20b ...) (2);

incrustación del gran número de zonas parciales (20a, 20b ...) en un material flexible (4) de modo que el gran número de zonas parciales (20a, 20b ...) estén unidas una con otra a través de zonas elásticas (30a, 30b ...) formadas por el material flexible (4); y

secado o endurecimiento del material flexible (4).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que se emplea como material flexible (4) un polímero, una resina epoxídica, una resina de impregnación u otro material aislante.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que se disponen sobre la placa (1), en uno o en ambos lados, unos electrodos para el suministro de corriente a las zonas parciales piezocerámicas (20a, 20b ...).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el gran número de zonas parciales (20a, 20b ...) se distribuyen estadísticamente o se disponen en una dirección preferente en el material flexible (4).