ES2773935B2 - PROCEDURE FOR OBTAINING CERAMIC COATINGS OF LEAD ZIRCONATE-TITANATE (PZT) - Google Patents
PROCEDURE FOR OBTAINING CERAMIC COATINGS OF LEAD ZIRCONATE-TITANATE (PZT) Download PDFInfo
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE RECUBRIMIENTOS CERÁMICOS DE PROCEDURE FOR OBTAINING CERAMIC COATINGS FROM
ZIRCONATO-TITANATO DE PLOMO (PZT)LEAD ZIRCONATE-TITANATE (PZT)
Sector de la técnicaTechnical sector
La invención se refiere a un procedimiento para la obtención de materiales cerámicos a base de zirconato-titanato de plomo (PZT) con estructura cristalina de perovskita.The invention relates to a process for obtaining ceramic materials based on lead zirconate-titanate (PZT) with a perovskite crystal structure.
Estado de la técnicaState of the art
Las disoluciones sólidas de zirconato de plomo PbZrO3 y titanato de plomo PbTiO3, es decir, el zirconato titanato de plomo (PZT) Pb(ZrxTi1-x)O3, son uno de los materiales ferroeléctricos de tipo perovskita más empleados debido a sus excelentes propiedades dieléctricas, piezoeléctricas y ferroeléctricas. Este material se utiliza en forma de películas gruesas en una gran variedad de dispositivos para aplicaciones tales como sistemas micromecánicos (MEMS), microactuadores con fuerza relativamente grande, transductores ultrasónicos, microbombas, detectores infrarrojos piroeléctricos o filtros de onda acústica.Solid solutions of lead zirconate PbZrO3 and lead titanate PbTiO3, that is, lead zirconate titanate (PZT) Pb (ZrxTi1-x) O3, are one of the most widely used ferroelectric perovskite-type materials due to their excellent dielectric properties , piezoelectric and ferroelectric. This material is used in the form of thick films in a wide variety of devices for applications such as micromechanical systems (MEMS), relatively large force microactuators, ultrasonic transducers, micropumps, pyroelectric infrared detectors or acoustic wave filters.
Las películas empleadas en la producción de dichos dispositivos están formadas por partículas de PZT, las cuales se obtienen mediante técnicas clásicas, como la tecnología de óxidos mixtos, o alternativamente mediante métodos químicos cuyas principales características son baja temperatura de reacción, mezcla uniforme de reactivos, control preciso de los componentes y alta pureza de producto.The films used in the production of these devices are made up of PZT particles, which are obtained by classical techniques, such as mixed oxide technology, or alternatively by chemical methods whose main characteristics are low reaction temperature, uniform mixture of reagents, precise component control and high product purity.
Tras la obtención de las partículas de PZT éstas se depositan sobre distintos sustratos mediante técnicas de impresión por inyección de tinta sin contacto, como por ejemplo, la serigrafía y la litografía, las cuales implican la reproducción de un patrón en el sustrato.After obtaining the PZT particles, they are deposited on different substrates by means of non-contact inkjet printing techniques, such as screen printing and lithography, which involve the reproduction of a pattern on the substrate.
Después del depósito de las partículas de PZT sobre el sustrato, hay varios tratamientos que conducen a una película delgada o gruesa de PZT. El tratamiento térmico es el más típico incluso cuando la temperatura de sinterización del PZT es superior a 800°C, lo que limita el tipo de sustratos que se pueden utilizar. Se han dedicado muchos esfuerzos para reducir la temperatura necesaria para obtener películas de PZT, por ejemplo, utilizando un precursor PZT en lugar de partículas PZT. Otra forma de evitar el uso de altas temperaturas es utilizar polímeros para unir las partículas, lo que permite imprimir en sustratos flexibles o poliméricos. Pero, obviamente, la presencia de polímeros reducirá las propiedades piezoeléctricas de la película. Todas las posibilidades mencionadas anteriormente deben tenerse en cuenta para preparar una tinta adecuada.After the deposit of the PZT particles on the substrate, there are several treatments that lead to a thin or thick film of PZT. Heat treatment is the most typical even when the sintering temperature of the PZT is above 800 ° C, which limits the type of substrates that can be used. Much effort has been put into reducing the temperature required to obtain PZT films, for example by using a PZT precursor instead of PZT particles. Another way to avoid the use of high temperatures is to use polymers to bond the particles, allowing you to print on flexible or polymeric substrates. But, obviously, the presence of polymers will reduce the piezoelectric properties of the film. All the possibilities mentioned above must be taken into account to prepare a suitable ink.
La tinta de partículas de PZT impresas por inyección de tinta puede sinterizarse térmica u ópticamente. Los tratamientos térmicos en un horno tienen menos limitaciones porque, independientemente de la formulación de la tinta, este proceso eliminará el disolvente y producirá la sinterización de las partículas de PZT, pero el uso de altas temperaturas y atmósferas oxidativas descarta el uso de sustratos flexibles, poliméricos y metálicos. Algo similar sucede con las tintas basadas en precursores. El precursor debe calcinarse por encima de 500°C para generar el material deseado.Inkjet printed PZT particle ink can be thermally or optically sintered. Thermal treatments in an oven have fewer limitations because, regardless of the ink formulation, this process will remove the solvent and cause the PZT particles to sinter, but the use of high temperatures and oxidative atmospheres precludes the use of flexible substrates, polymeric and metallic. Something similar happens with precursor-based inks. The precursor must be calcined above 500 ° C to generate the desired material.
Se hace por tanto necesario un procedimiento alternativo para la obtención de recubrimientos cerámicos de zirconato-titanato de plomo (PZT) que evite el tratamiento térmico para la sinterización de las partículas de PZT.Therefore, an alternative process is necessary to obtain ceramic coatings of lead zirconate-titanate (PZT) that avoids heat treatment for sintering the PZT particles.
Objeto de la invenciónObject of the invention
La invención se refiere a un procedimiento para la obtención de recubrimientos cerámicos de zirconato-titanato de plomo (PZT) que utiliza un tratamiento con láser (sinterización láser / pirólisis con láser) como alternativa al tratamiento térmico (sinterización / calcinación).The invention relates to a process for obtaining lead zirconate-titanate (PZT) ceramic coatings that uses a laser treatment (laser sintering / laser pyrolysis) as an alternative to heat treatment (sintering / calcination).
Así el procedimiento de obtención de recubrimientos cerámicos de zirconato-titanato de plomo (PZT) comprende:Thus, the procedure for obtaining ceramic coatings of lead zirconate-lead titanate (PZT) comprises:
- obtener una tinta de PZT,- get a PZT ink,
- depositar sobre un sustrato la tinta de PZT,- deposit the PZT ink on a substrate,
- sinterizar la tinta de PZT mediante un tratamiento con láser, y- sintering the PZT ink by laser treatment, and
- someter al sustrato con la tinta de PZT sinterizada a un proceso de polarización.- subjecting the substrate with the sintered PZT ink to a polarization process.
Preferentemente el sustrato sobre el que se deposita la tinta es sustrato metálico. Aún más preferentemente el sustrato metálico es acero. Preferably the substrate on which the ink is deposited is a metallic substrate. Even more preferably the metallic substrate is steel.
Preferentemente la tinta de PZT es una tinta de nanopartículas de PZT.Preferably the PZT ink is a PZT nanoparticle ink.
La ventaja de la sinterización por láser es la aplicación de calor a pequeñas superficies reduciendo drásticamente el efecto del calor sobre el sustrato. El tratamiento con láser sinterizará las nanopartículas de PZT y producirá una película impresa consistente sin la necesidad de emplear polímeros. Otra ventaja del tratamiento con láser es que la cantidad de sustratos diferentes que se pueden usar es mayor que la del tratamiento térmico en un horno.The advantage of laser sintering is the application of heat to small surfaces, drastically reducing the effect of heat on the substrate. Laser treatment will sinter the PZT nanoparticles and produce a consistent printed film without the need for polymers. Another advantage of laser treatment is that the number of different substrates that can be used is greater than that of heat treatment in an oven.
Para sinterizar la tinta de PZT se emplea un láser de longitud de onda de 1064 nm. El tratamiento laser emplea una potencia de entre 200-300 mW y una velocidad de entre 0.1 y 0.5 mm/s. Preferentemente se una potencia de 300 mW y una velocidad de 0,1 mm/s.A 1064 nm wavelength laser is used to sinter the PZT ink. The laser treatment uses a power of between 200-300 mW and a speed of between 0.1 and 0.5 mm / s. Preferably it is a power of 300 mW and a speed of 0.1 mm / s.
La tinta de PZT se deposita sobre el sustrato mediante impresión por chorro de tinta ( “inkjet pnnting’). El uso de la impresión por chorro de tinta permite construir un patrón directamente sobre el sustrato mediante la deposición secuencial de gotas de tinta. La impresión por chorro de tinta también presenta la ventaja de su escalabilidad y el hecho de que toda la tinta utilizada en el proceso se encuentra en el patrón del sustrato, lo que significa que la cantidad de tinta desperdiciada se reduce drásticamente.The PZT ink is deposited onto the substrate by inkjet printing. The use of inkjet printing allows a pattern to be built directly on the substrate by sequential deposition of ink drops. Inkjet printing also has the advantage of its scalability and the fact that all the ink used in the process is in the substrate pattern, which means that the amount of wasted ink is drastically reduced.
La invención emplea impresoras de inyección de tinta piezoeléctricas de gota variable "Dropon-Demand” (DoD) que son menos restrictivas que las impresoras térmicas DoD Inkjet.The invention employs piezoelectric variable drop "Dropon-Demand" (DoD) inkjet printers that are less restrictive than thermal DoD Inkjet printers.
Descripción de las figurasDescription of the figures
La figura 1 muestra 6 imágenes SEM de recubrimientos de nanopartículas de PZT sinterizados por láser con potencias de 200mW, 2000mW y 3000mW sobre sustratos de alúmina.Figure 1 shows 6 SEM images of laser sintered PZT nanoparticle coatings with powers of 200mW, 2000mW and 3000mW on alumina substrates.
La figura 2 muestra 6 imágenes SEM de recubrimientos de nanopartículas de PZT sinterizados por láser con potencias de 200mW, 600mW y 1000mW sobre sustratos de acero.Figure 2 shows 6 SEM images of laser sintered PZT nanoparticle coatings with powers of 200mW, 600mW and 1000mW on steel substrates.
La figura 3 muestra un espectro de rayos X de dos recubrimientos de nanopartículas PZT tratadas con diferentes potencias de láser (600mW y 100mW) y en donde se ilustran picos de PZT, PbO y ZrO2.Figure 3 shows an X-ray spectrum of two PZT nanoparticle coatings treated with different laser powers (600mW and 100mW) and where peaks are illustrated. of PZT, PbO and ZrO2.
La figura 4 muestra 6 imágenes SEM de recubrimientos de precursor PZT sinterizados por láser con potencias de 200mW, 400mW y 600mW sobre sustratos de acero.Figure 4 shows 6 SEM images of laser sintered PZT precursor coatings with powers of 200mW, 400mW and 600mW on steel substrates.
La figura 5 muestra 6 imágenes SEM de nanopartículas sinterizadas por láser con potencias de 800mW, 1000mW y 1200mW sobre sustratos de acero.Figure 5 shows 6 SEM images of laser sintered nanoparticles with powers of 800mW, 1000mW and 1200mW on steel substrates.
La figura 6 muestra un espectro de rayos X de varios recubrimientos de precursor PZT tratados con diferentes potencias de láser (200mW, 400mW, 600mW, 800mW, 1000mW y 1200mW).Figure 6 shows an X-ray spectrum of various PZT precursor coatings treated with different laser powers (200mW, 400mW, 600mW, 800mW, 1000mW, and 1200mW).
La figura 7 muestra 4 imágenes SEM de recubrimientos de precursor de PZT y de nanopartículas PZT depositadas sobre un sustrato de acero y sinterizadas a una potencia laser de 400mW.Figure 7 shows 4 SEM images of PZT precursor coatings and PZT nanoparticles deposited on a steel substrate and sintered at a laser power of 400mW.
La figura 8 muestra 4 imágenes SEM de recubrimientos de precursor de PZT y de nanopartículas PZT depositadas sobre un sustrato de acero y sinterizadas a una potencia laser de 800mW.Figure 8 shows 4 SEM images of PZT precursor coatings and PZT nanoparticles deposited on a steel substrate and sintered at a laser power of 800mW.
La figura 9 muestra 4 imágenes SEM de recubrimientos de nanopartículas PZT sinterizadas a una potencia laser de 600mW y depositadas sobre de acero y alúmina.Figure 9 shows 4 SEM images of PZT nanoparticle coatings sintered at a laser power of 600mW and deposited on steel and alumina.
La figura 10 muestra 4 imágenes SEM de recubrimientos generados por inyección de tinta de nanopartículas PZT sobre sustratos de acero en diferentes condiciones de potencia y velocidad de láser.Figure 10 shows 4 SEM images of PZT nanoparticle inkjet coatings on steel substrates under different laser power and speed conditions.
La figura 11 muestra la respuesta eléctrica de recubrimientos polarizados a diferentes voltajes bajo prueba de compresión.Figure 11 shows the electrical response of polarized coatings at different voltages under compression test.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention
El procedimiento de obtención de recubrimientos cerámicos de zirconato-titanato de plomo (PZT) comprende las etapas de obtener una tinta de PZT, depositar sobre un sustrato la tinta de PZT, sinterizar la tinta de PZT mediante un tratamiento con láser, y someter al sustrato con la tinta de PZT sinterizada a un proceso de polarización.The process for obtaining lead zirconate-titanate (PZT) ceramic coatings comprises the steps of obtaining a PZT ink, depositing the PZT ink on a substrate, sintering the PZT ink by means of a laser treatment, and subjecting the substrate with PZT ink sintered to a polarization process.
A continuación se describen a modo de ejemplo no limitativo cada una de las etapas para la obtención de los recubrimientos cerámicos de PZT.Each of the steps for obtaining PZT ceramic coatings is described below by way of non-limiting example.
Formulación de la tinta de partículas PZTPZT Particle Ink Formulation
La tinta de PZT se obtiene a partir de una tinta de nanopartículas de PZT o de una tinta basada en un precursor de PZT.PZT ink is obtained from a PZT nanoparticle ink or an ink based on a PZT precursor.
El PZT para la obtención de cada una de las tintas se sintetiza a partir de compuestos organometálicos utilizados en procesos químicos basados en alcóxidos metálicos, carboxilatos y beta-dicetonas. Esos compuestos organometálicos se formarán con tres metales diferentes: plomo, zirconio y titanio.The PZT to obtain each of the inks is synthesized from organometallic compounds used in chemical processes based on metal alkoxides, carboxylates and beta-diketones. Those organometallic compounds will be formed with three different metals: lead, zirconium, and titanium.
En el caso de la tinta de nanopartículas de PZT, el proceso químico empleado para sintetizar las nanopartículas de PZT incluye la adición de agua a la mezcla de compuestos organometálicos para formar un gel. Este gel se hibrida para formar un polvo de nanopartículas de PZT de perovskita. El polvo se obtiene en forma aglomerada, por lo que debe ser molido con bolas para generar partículas de tamaño nanométrico separadas.In the case of PZT nanoparticle ink, the chemical process used to synthesize the PZT nanoparticles includes adding water to the mixture of organometallic compounds to form a gel. This gel hybridizes to form a perovskite PZT nanoparticle powder. The powder is obtained in agglomerated form, so it must be ground with balls to generate separate nano-sized particles.
En el caso de la tinta a base de precursor de PZT, se necesita un sol en lugar del gel porque la tinta debe fluir a través de la impresora de chorro de tinta. Esto significa que el sol debe ser estable frente al vapor de agua ambiente. Como resultado, se usan diaminas como agentes quelantes para asegurar la estabilidad del precursor.In the case of the PZT precursor ink, a sol is needed instead of the gel because the ink must flow through the ink jet printer. This means that the sun must be stable against ambient water vapor. As a result, diamines are used as chelating agents to ensure the stability of the precursor.
Posteriormente se añaden vehículos y aglutinantes a las nanopartículas de PZT o al precursor de PZT, de forma que en ambos casos se obtienen tintas con una viscosidad inferior a 30 cps y una tensión superficial inferior a 70 N/m, que son adecuadas para la impresión por chorro de tinta.Subsequently, vehicles and binders are added to the PZT nanoparticles or the PZT precursor, so that in both cases inks with a viscosity lower than 30 cps and a surface tension lower than 70 N / m are obtained, which are suitable for printing. by ink jet.
Proceso de impresiónPrinting process
Tanto la tinta de nanopartículas de PZT como la tinta precursora de PZT, se filtran (con filtro de jeringa Whatman y Cameo de 5 pm, respectivamente) antes de la impresión para evitar la obstrucción de la boquilla con la que se deposita la tinta. Este proceso de filtrado es de gran importancia para las tintas de nanopartículas de PZT debido a su tendencia a la floculación. Sin embargo, la tinta precursora de PZT está libre de partículas, lo que hace que el filtrado sea innecesario, pero aun así es preferible el filtrado ya que el precursor es lo suficientemente inestable como para causar la aparición de trozos de gel que tienden a obstruir la boquilla.Both the PZT nanoparticle ink and the PZT precursor ink are filtered (with a 5 pm Whatman and Cameo syringe filter, respectively) before printing to avoid clogging of the nozzle with which the ink is deposited. This filtering process is of great importance for PZT nanoparticle inks due to its tendency to flocculation. However, the PZT precursor ink is free of particles, making filtering unnecessary, but filtering is still preferable as the precursor is unstable enough to cause gel chunks that tend to clog. the mouthpiece.
Ambas tintas PZT se imprimen sobre sustratos de alúmina (de tipo “Ceramtec”) y sobre sustratos de acero, concretamente acero inoxidable (de tipo 304 “Hasberg”).Both PZT inks are printed on alumina substrates ("Ceramtec" type) and on steel substrates, specifically stainless steel ("Hasberg" type 304).
Para ello se realizaron pruebas de impresión de inyección de tinta con un dispositivo de inyección de “Microfab”. Se utilizó una tensión piezoeléctrica de 43 V para una formación de gotas adecuada y una frecuencia de inyección máxima de 1 kHz. Durante la impresión, el sustrato a imprimir estaba a temperatura ambiente. Los parámetros de impresión de inyección de tinta, como la velocidad y el espaciado entre caídas, se optimizaron para cada tipo de sustrato y tinta.For this, inkjet printing tests were performed with a "Microfab" jet device . A piezoelectric voltage of 43 V was used for adequate droplet formation and a maximum injection frequency of 1 kHz. During printing, the substrate to be printed was at room temperature. Inkjet printing parameters, such as speed and drop spacing, were optimized for each type of substrate and ink.
Sinterización laserLaser sintering
Después de la impresión de los sustratos con la tinta de PZT, las muestras impresas se curaron térmicamente en una placa caliente a 40°C para eliminar el vehículo, se sometieron a un sinterizado por láser y se caracterizaron microestructuralmente mediante microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X. Para el sinterizado se usó un láser pulsado de 1064 nm de longitud de onda fijando la frecuencia a 10 KHz, una velocidad de 1 mm/s y un pulso láser de 200 ns. Se estudió la influencia de la potencia en ambos procesos empleando la tinta de nanopartículas de PZT y de precursor de PZT.After printing of the substrates with the PZT ink, the printed samples were thermally cured on a hot plate at 40 ° C to remove the vehicle, subjected to laser sintering and microstructurally characterized by scanning electron microscopy and diffraction. X-ray. For sintering, a pulsed laser with a wavelength 1064 nm was used, setting the frequency at 10 KHz, a speed of 1 mm / s and a laser pulse of 200 ns. The influence of potency in both processes was studied using the PZT nanoparticle ink and the PZT precursor ink.
PolarizaciónPolarization
Posteriormente los recubrimientos cerámicos de PZT se polarizaron usando una fuente de alimentación de 10 kV (de tipo “Keithley 2290-10”). Cada muestra se introdujo en aceite de silicio a 120°C durante 30 minutos y se pasó una corriente inferior a 1 mA a través de la muestra. Las muestras fueron polarizadas a 50V y 75V. El primero fue elegido para lograr 5000 V/mm para muestras con una altura de 10 pm. The PZT ceramic coatings were then polarized using a 10 kV power supply ( "Keithley 2290-10" type). Each sample was immersed in silicon oil at 120 ° C for 30 minutes and a current of less than 1 mA was passed through the sample. The samples were polarized at 50V and 75V. The first was chosen to achieve 5000 V / mm for samples with a height of 10 pm.
Test de compresiónCompression test
Después de la polarización, los recubrimientos cerámicos de PZT se caracterizaron por una prueba de compresión (realizada con un “Instron Mini 44"). Se utilizó un sistema de adquisición de datos (“Agilent 34970") para seleccionar la señal deseada. Las condiciones utilizadas en la prueba de compresión fueron: una velocidad de cruceta de 200 mm/min y un límite de carga de -100 N.After polarization, the PZT ceramic coatings were characterized by a compression test (performed with an "Instron Mini 44"). A data acquisition system ( "Agilent 34970") was used to select the desired signal. The conditions used in the compression test were: a crosshead speed of 200 mm / min and a load limit of -100 N.
CaracterizaciónCharacterization
La estructura cristalina y la morfología los recubrimientos cerámicos de PZT se caracterizaron por difracción de rayos X utilizando un difractómetro (de tipo “Philips XPERT MRD") (Cu Ka1A = 1.54059 Á) de 20° a 110°, con un tamaño de paso de 0.02° en 20 y 10s/° de velocidad de exploración. Además, se usó un microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (“modelo FEI Quanta 3D FEG") en configuración de bajo vacío utilizando voltajes de aceleración entre 10 y 20 kV.The crystalline structure and morphology of the PZT ceramic coatings were characterized by X-ray diffraction using a diffractometer ( "Philips XPERT MRD" type) (Cu Ka1A = 1.54059 Á) from 20 ° to 110 °, with a step size of 0.02 ° at 20 and 10s / ° scanning speed In addition, a field emission scanning electron microscope ( "FEI Quanta 3D FEG model") was used in low vacuum configuration using acceleration voltages between 10 and 20 kV.
Resultados empleando tinta de nanopartículas de PZTResults using PZT nanoparticle ink
Se llevaron a cabo diferentes condiciones de procesamiento en sustratos de alúmina y acero con el fin de encontrar condiciones adecuadas para sinterizar nanopartículas de PZT en cada sustrato. La potencia del láser utilizada para sinterizar las nanopartículas de PZT depositadas sobre el sustrato de alúmina cambia el aspecto de la deposición y la forma de las partículas sinterizadas.Different processing conditions were carried out on alumina and steel substrates in order to find suitable conditions to sinter PZT nanoparticles on each substrate. The laser power used to sinter the PZT nanoparticles deposited on the alumina substrate changes the appearance of the deposition and the shape of the sintered particles.
La figura 1 muestra 6 imágenes SEM de recubrimientos de nanopartículas PZT sinterizadas por láser con potencias de 200mW (imágenes a y b), 2000mW (imágenes c y d) y 3000mW (imágenes e y f) sobre sustratos de alúmina.Figure 1 shows 6 SEM images of laser sintered PZT nanoparticle coatings with powers of 200mW (images a and b), 2000mW (images c and d) and 3000mW (images e and f) on alumina substrates.
En las imágenes a) y b) de la figura 1 se muestra el caso de un recubrimiento tratado con baja potencia de laser (200 mW). Se puede ver que el aglutinante aún permanece (fase gris oscura indicada con una flecha), mientras que el efecto de aumentar la potencia (ver imágenes c) y d) de la figura 1), estimula la sinterización y provoca el crecimiento del cuello entre las partículas (rodeadas en la imagen d) de la figura 3). Por otro lado, no es adeudado el uso de potencias de 3000mW porque el PZT se degrada como se ve en las imágenes e) y f) de la figura 1.In the images a) and b) of figure 1 the case of a coating treated with low laser power (200 mW) is shown. It can be seen that the binder still remains (dark gray phase indicated with an arrow), while the effect of increasing the power (see images c) and d) of figure 1), stimulates sintering and causes growth of the neck between the particles (surrounded in image d) of figure 3). On the other hand, the use of powers of 3000mW is not owed because the PZT degrades as seen in the images e) and f) of Figure 1.
Lo mismo se hizo en un sustrato de acero obteniendo resultados similares. Ver la figura 2 que muestra 6 imágenes SEM de recubrimientos de nanopartículas PZT sinterizadas por láser con potencias de 200mW (imágenes a y b), 600mW (imágenes c y d) y 1000mW (imágenes e y f) sobre sustratos de acero.The same was done on a steel substrate obtaining similar results. See Figure 2 which shows 6 SEM images of laser sintered PZT nanoparticle coatings with powers of 200mW (images a and b), 600mW (images c and d) and 1000mW (images e and f) on steel substrates.
Las muestras tratadas con baja potencia de laser de 200mW (imágenes a) y b) de la figura 2) muestran la presencia de material orgánico, mientras que las muestras tratadas con mayor potencia de 600mW (imágenes c) y d) de la figura 2) parecen haber eliminado el material orgánico y favorecer la sinterización y el crecimiento de partículas de PZT. Esto está relacionado con la cantidad de potencia utilizada en el tratamiento con láser. Por el contrario, la imagen f) de la figura 2 muestra la degradación de PZT, lo que indica la necesidad de tener en cuenta el efecto que el tratamiento con láser puede tener sobre la fase cristalina del recubrimiento.The samples treated with a low laser power of 200mW (images a) and b) of figure 2) show the presence of organic material, while the samples treated with a higher power of 600mW (images c) and d) of figure 2) appear having eliminated organic material and favoring sintering and the growth of PZT particles. This is related to the amount of power used in the laser treatment. On the contrary, image f) of figure 2 shows the degradation of PZT, which indicates the need to take into account the effect that laser treatment can have on the crystalline phase of the coating.
La composición del recubrimiento se mide mediante difractometría de rayos X, que proporciona información útil, tal como la interacción entre el recubrimiento y el sustrato, o la degradación de PZT que se dirige a otro tipo de óxidos.The composition of the coating is measured by X-ray diffractometry, which provides useful information, such as the interaction between the coating and the substrate, or the degradation of PZT that is directed to other types of oxides.
La figura 3 muestra un espectro de rayos X de dos recubrimientos de nanopartículas PZT tratadas con diferente potencia de láser y en donde se ilustran picos de PZT, PbO y ZrO2. Los picos de PZT se representa con asteriscos, los picos de PbO se representan con el signo más y los picos de ZrO2 se representan con triángulos.Figure 3 shows an X-ray spectrum of two coatings of PZT nanoparticles treated with different laser power and where peaks of PZT, PbO and ZrO2 are illustrated. PZT peaks are represented by asterisks, PbO peaks are represented by the plus sign, and ZrO2 peaks are represented by triangles.
Concretamente la figura 3 muestra la diferencia entre un recubrimiento sin degradación del PZT como el de la imagen e) de la figura 2, y un recubrimiento como el de la imagen f) de la figura 2 en donde el PZT comienza a degradarse. La degradación está asociada al pico cercano al pico principal del PZT y está marcada con un triángulo en la figura 3. El PZT es inestable con respecto a la temperatura, lo que produce descomposición cuando la temperatura sube por encima de un cierto límite o se mantiene durante un tiempo demasiado largo. Esta descomposición viene acompañada de la formación de óxidos individuales como PbO. Por lo tanto, se debe elegir la potencia del láser para evitar la degradación de PZT mientras que las partículas de PZT todavía se sinterizan. Specifically, figure 3 shows the difference between a coating without degradation of the PZT like that of image e) of figure 2, and a coating like that of image f) of figure 2 where the PZT begins to degrade. The degradation is associated with the peak near the main peak of the PZT and is marked with a triangle in figure 3. The PZT is unstable with respect to temperature, which produces decomposition when the temperature rises above a certain limit or is maintained for too long a time. This decomposition is accompanied by the formation of individual oxides such as PbO. Therefore, the laser power must be chosen to avoid PZT degradation while the PZT particles are still sintered.
Resultados empleando tinta de precursor de PZTResults using PZT precursor ink
Los recubrimientos de tinta basados en precursor PZT se trataron con láser de diferentes potencias para estudiar la formación de revestimientos cerámicos PZT. En este caso, sólo se usaron sustratos de acero.PZT precursor-based ink coatings were treated with lasers of different powers to study the formation of PZT ceramic coatings. In this case, only steel substrates were used.
La figura 4 muestra 6 imágenes SEM de recubrimientos de precursor PZT sinterizados por láser con potencias de 200mW (imágenes a y b), 400mW (imágenes c y d) y 600mW (imágenes e y f) sobre sobre sustratos de acero y la figura 4 muestra 6 imágenes SEM de recubrimientos de precursor PZT sinterizados por láser con potencias de 800mW (imágenes a y b), 1000mW (imágenes c y d) y 1000mW (imágenes e y f) sobre sobre sustratos de acero.Figure 4 shows 6 SEM images of laser sintered PZT precursor coatings with powers of 200mW (images a and b), 400mW (images c and d) and 600mW (images e and f) on steel substrates and Figure 4 shows 6 SEM images of coatings of laser sintered PZT precursor with powers of 800mW (images a and b), 1000mW (images c and d) and 1000mW (images e and f) on steel substrates.
Como se ve en las figuras 4 y 5, la forma de los recubrimientos tratados con láser cambia en función de la potencia utilizada. Los recubrimientos tratados con baja potencia de 200mW (imágenes a) y b) de la figura 4) muestran una continuidad que está relacionada con la ausencia de la fase cristalina de PZT (ver figura 6). Mientras se produce la transformación entre el precursor amorfo y la perovskita, el recubrimiento depositado sufre una gran contracción de volumen, solo alrededor del 20 por ciento del material impreso por chorro de tinta permanece en el recubrimiento cerámico sinterizado por láser.As seen in Figures 4 and 5, the shape of the laser-treated coatings changes depending on the power used. The coatings treated with low power of 200mW (images a) and b) of figure 4) show a continuity that is related to the absence of the crystalline phase of PZT (see figure 6). While the transformation between the amorphous precursor and perovskite occurs, the deposited coating undergoes great volume shrinkage, only about 20 percent of the inkjet printed material remains in the laser sintered ceramic coating.
Como se aprecia en las imágenes c) y d) de la figura 4, un aumento en la potencia del láser causa la formación de cráteres más grandes (agujeros) y la aparición de grietas, a medida que más material se va eliminando. Pasando a una mayor potencia (imágenes e) y f) de la figura 4), los recubrimientos comienzan a separarse y aparecen algunas partículas de cerámica, como se muestra en la Figura 6. Entre potencias laser de 600mW y 800mW, la perovskita PZT está totalmente formada, como se puede ver en las imágenes a y b de la figura 5, a partir de este punto, los recubrimientos forman islas debido a las grandes grietas que se extienden a lo largo de ellos. Los recubrimientos tratados con mayor potencia de láser muestran formas irregulares (imágenes c) y e) de la figura 5) asociadas a la contracción de volumen rápido y esas formas irregulares están compuestas por estructuras rígidas continuas pero llenas de poros (imágenes d) y f) de la figura 5). Además, el espectro de rayos X de recubrimientos tratados con potencia láser superior a 800 mW muestra la presencia de algunos óxidos no deseados (PbO y ZrO2).As can be seen in images c) and d) of figure 4, an increase in laser power causes the formation of larger craters (holes) and the appearance of cracks, as more material is removed. Going to a higher power (images e) and f) of Figure 4), the coatings begin to separate and some ceramic particles appear, as shown in Figure 6. Between laser powers of 600mW and 800mW, the PZT perovskite is fully formed, as can be seen in images a and b of figure 5, from this point on, the coatings form islands due to the large cracks that extend along them. The coatings treated with higher laser power show irregular shapes (images c) and e) of figure 5) associated with rapid volume contraction and these irregular shapes are composed of continuous rigid structures but full of pores (images d) and f) of figure 5). Furthermore, the X-ray spectrum of coatings treated with laser power greater than 800 mW shows the presence of some unwanted oxides (PbO and ZrO2).
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Comparativa entre recubrimientos empleando Nanopartículas PZT y precursor de PZTComparison between coatings using PZT Nanoparticles and PZT precursor
Se compararon los recubrimientos cerámicos de nanopartículas de PZT y de percusor de PZT para comprobar que recubrimiento cerámico de PZT muestra mejores propiedades para el tratamiento de sinterización láser.PZT nanoparticle ceramic and PZT hammer coatings were compared to verify that PZT ceramic coating shows better properties for laser sintering treatment.
Para ello se compararon los recubrimientos de PZT impresos con inyección de tinta sobre sustratos de acero y tratados con láser en las mismas condiciones de procesamiento, con potencias de laser de 400 mW y 800 mW.For this, the PZT coatings printed with inkjet on steel substrates and treated with laser were compared under the same processing conditions, with laser powers of 400 mW and 800 mW.
En la figura 7 se muestran 4 imágenes SEM, las imágenes a) y b) muestran recubrimientos de precursor de PZT y las imágenes c) y d) muestran recubrimientos de nanopartículas PZT, ambos recubrimientos depositados sobre un sustrato de acero y procesados con una potencia laser de 400mW.In figure 7 4 SEM images are shown, images a) and b) show coatings of PZT precursor and images c) and d) show coatings of PZT nanoparticles, both coatings deposited on a steel substrate and processed with a laser power of 400mW.
El recubrimiento basado en tinta de nanopartículas PZT procesado con una potencia de laser de 400 mW muestra la presencia de varios poros y algunas grietas debido a la contracción del volumen sufrido y la eliminación del aglutinante (ver imágenes c) y d) de la figura 7). Sin embargo, el recubrimiento de tinta a base de precursor de PZT muestra algunos poros y grietas debido a la eliminación parcial del aglutinante (imágenes a) y b) de la figura 1). Sin embargo debe notarse que la potencia láser utilizada no es suficiente para transformar el precursor en perovskita PZT (ver figura 8), por lo tanto el recubrimiento basado en el precursor PZT no es comparable con el recubrimiento de nanopartículas PZT, ya que no es PZT cristalino.The coating based on PZT nanoparticle ink processed with a laser power of 400 mW shows the presence of several pores and some cracks due to the contraction of the volume suffered and the elimination of the binder (see images c) and d) of figure 7) . However, the PZT precursor-based ink coating shows some pores and cracks due to the partial removal of the binder (pictures a) and b) of figure 1). However, it should be noted that the laser power used is not sufficient to transform the precursor into PZT perovskite (see figure 8), therefore the coating based on the PZT precursor is not comparable with the coating of PZT nanoparticles, since it is not PZT. crystalline.
Por otro lado en la figura 8 se muestran 4 imágenes SEM, las imágenes a) y b) muestran recubrimientos de precursor de PZT y las imágenes c) y d) muestran recubrimientos de nanopartículas PZT, ambos recubrimientos depositados sobre un sustrato de acero y procesados con una potencia laser de 800mW.On the other hand, figure 8 shows 4 SEM images, images a) and b) show coatings of PZT precursor and images c) and d) show coatings of PZT nanoparticles, both coatings deposited on a steel substrate and processed with a 800mW laser power.
El recubrimiento de tinta basado en el precursor de PZT procesado con una potencia de laser de 800 mW muestra pequeñas piezas del recubrimiento rotas debido a la extensión de las grietas asociadas a la contracción de volumen ocurrida durante la formación de PZT (ver imágenes a) y b) de la figura 8). En contraste con el recubrimiento procesado con 400 mW, en el recubrimiento procesado con 800 mW se presenta perovskita PZT, al igual que se muestra en el espectro de rayos X de la figura 6. El recubrimiento de nanopartículas PZT que se trata en las mismas condiciones es mucho más continuo, incluso si muestra poros y grietas. Su espectro de rayos X muestra la presencia de perovskita PZT pero parece no tener óxidos indeseados como el revestimiento de precursor de PZT tratado en las mismas condiciones (ver figura 6).The ink coating based on the PZT precursor processed with a laser power of 800 mW shows small pieces of the coating broken due to the extension of the cracks associated with the volume contraction that occurred during the formation of PZT (see images a) and b ) of figure 8). In contrast to the coating processed with 400 mW, perovskite PZT is present in the coating processed with 800 mW, as is shown in the X-ray spectrum of figure 6. The PZT nanoparticle coating that is treated under the same conditions is much more continuous, even if it shows pores and cracks. Its X-ray spectrum shows the presence of PZT perovskite but it appears to have no unwanted oxides like the PZT precursor coating treated under the same conditions (see figure 6).
Comparativa entre sustratos de acero y alúminaComparison between steel and alumina substrates
Los recubrimientos se imprimieron con chorro de tinta sobre sustratos cerámicos de alúmina y sobre sustratos metálicos de acero, se curaron térmicamente para eliminar el vehículo y se sinterizaron con láser en las mismas condiciones.The coatings were inkjet printed onto alumina ceramic substrates and onto metallic steel substrates, thermally cured to remove vehicle, and laser sintered under the same conditions.
En la figura 9 se muestran 4 imágenes SEM de recubrimientos generados por inyección de tinta de nanopartículas PZT sinterizadas a una potencia laser de 600mW y una velocidad de laser de 1mm/s, las imágenes a) y b) muestran recubrimientos depositados sobre sustratos de acero y las imágenes c) y d) muestran recubrimientos depositados sobre sustratos de alúmina.Figure 9 shows 4 SEM images of coatings generated by inkjet of PZT nanoparticles sintered at a laser power of 600mW and a laser speed of 1mm / s, images a) and b) show coatings deposited on steel substrates and images c) and d) show coatings deposited on alumina substrates.
Por un lado, el recubrimiento depositado sobre alúmina (ver imagen c) de la figura 9) muestra la presencia de material orgánico que no ha sido eliminado (fase gris oscura indicada con flechas) por el tratamiento con láser, mientras que no hay material orgánico en la película impresa en sustrato de acero (ver imagen a) de la figura 9).On the one hand, the coating deposited on alumina (see image c) of figure 9) shows the presence of organic material that has not been removed (dark gray phase indicated by arrows) by laser treatment, while there is no organic material on the film printed on a steel substrate (see image a) of figure 9).
Este factor puede estar relacionado con la temperatura alcanzada durante el tratamiento con láser, que, al mismo tiempo, está asociado al coeficiente de difusividad térmica. El coeficiente de difusividad térmica está representado por la siguiente ecuación:This factor may be related to the temperature reached during the laser treatment, which, at the same time, is associated with the coefficient of thermal diffusivity. The coefficient of thermal diffusivity is represented by the following equation:
en donde p es la densidad del material; Cp es la capacidad específica y k es la conductividad térmica.where p is the density of the material; Cp is the specific capacity and k is the thermal conductivity.
En este caso, el acero es peor difusor térmico que la alúmina (ver tabla), lo que permite utilizar condiciones de sinterización menos agresivas. Esto sucede porque el acero mantiene el aumento de temperatura inducido por el láser durante más tiempo que la alúmina y, para el mismo tratamiento con láser, la temperatura en el sustrato de acero se mantiene durante más tiempo que la de la alúmina. Esto se ilustra en las imágenes b) y d) de la figura 3 donde las nanopartículas de PZT sinterizadas se pueden reconocer claramente. La sinterización de partículas en el sustrato de acero es, por lo tanto, preferible a la de un sustrato de alúmina.In this case, steel is a worse heat diffuser than alumina (see table), which makes it possible to use less aggressive sintering conditions. This happens because steel maintains the laser-induced temperature rise longer than alumina and, to The same laser treatment, the temperature in the steel substrate is maintained longer than that of alumina. This is illustrated in images b) and d) of Figure 3 where sintered PZT nanoparticles can be clearly recognized. Sintering of particles on the steel substrate is, therefore, preferable to that of an alumina substrate.
En la siguiente tabla se ilustran las propiedades teóricas relevantes del acero inoxidable 304 y la alúmina.The following table illustrates the relevant theoretical properties of 304 stainless steel and alumina.
Optimización del recubrimiento cerámico de PZTOptimization of the ceramic coating of PZT
Los recubrimientos de nanopartículas PZT impresos sobre sustratos de acero se tratan con láser bajo diferentes condiciones para generar una película continua y sinterizada. Es importante tener en cuenta el hecho mencionado anteriormente de que una potencia del láser demasiado alta conduce a la degradación de la fase perovskita PZT. Debido a esto, es preferible una menor potencia del láser y un movimiento más lento de la velocidad de láser.PZT nanoparticle coatings printed on steel substrates are laser treated under different conditions to generate a sintered, continuous film. It is important to take into account the fact mentioned above that too high a laser power leads to degradation of the perovskite PZT phase. Because of this, lower laser power and slower laser speed movement is preferable.
En las pruebas realizadas la potencia más alta utilizada para optimizar las propiedades del recubrimiento fue de 600 mw y la velocidad más rápida fue de 1 mm/s mientras que la potencia más baja utilizada fue de 200 mW y la velocidad más lenta fue de 0.1 mm/s.In the tests carried out, the highest power used to optimize the coating properties was 600 mw and the fastest speed was 1 mm / s while the lowest power used was 200 mW and the slowest speed was 0.1 mm / s.
Se prueban varias condiciones de tratamiento con láser para minimizar la presencia de grietas y agujeros. La combinación de velocidad de etapa baja y potencia relativamente alta (500-600 mW) puede conducir a la degradación de la fase PZT, por lo que se evitan esas condiciones.Various laser treatment conditions are tested to minimize the presence of cracks and holes. The combination of low stage speed and relatively high power (500-600 mW) can lead to degradation of the PZT phase, so those conditions are avoided.
En la figura 10 se muestran 4 imágenes SEM de recubrimientos generados por inyección de tinta de nanopartículas PZT sobre sustratos de acero en diferentes condiciones de potencia y velocidad de láser. La imagen a) muestra un recubrimiento de nanopartículas PZT sinterizadas a una potencia de 200mW y una velocidad de 0.1 mm/s, la imagen b) unFigure 10 shows 4 SEM images of PZT nanoparticle inkjet coatings on steel substrates under different laser power and speed conditions. Image a) shows a coating of PZT nanoparticles sintered at a power of 200mW and a speed of 0.1 mm / s, image b) a
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recubrimiento sinterizado a una potencia de 200mW y una velocidad de 0.5 mm/s, la imagen c) un recubrimiento sinterizado a una potencia de 300mW y una velocidad de 0.1 mm/s y la imagen d) un recubrimiento sinterizado a una potencia de 300mW y una velocidad de 0.5 mm/s.coating sintered at a power of 200mW and a speed of 0.5 mm / s, image c) a coating sintered at a power of 300mW and a speed of 0.1 mm / s and image d) a coating sintered at a power of 300mW and a speed of 0.5 mm / s.
Los mejores resultados se obtienen para una baja velocidad de la etapa (0.1-0.5 mm/s) y baja potencia (200-300 mW).Best results are obtained for low stage speed (0.1-0.5 mm / s) and low power (200-300 mW).
Como se puede ver en la Figura 10, el recubrimiento sinterizado con una potencia de 300 mW y una velocidad de 0,1 mm/s parece ser más homogéneo (ver imagen c) figura 10). El recubrimiento tratado con la misma potencia pero con una velocidad más rápida muestra grietas y más agujeros en la superficie de la película (ver imagen d) de la figura 10). Al mismo tiempo, los recubrimientos tratados con una potencia aún menor muestran varias marcas asociadas al movimiento del láser sobre el recubrimiento, revelando una superficie más heterogénea (ver imágenes a) y b) de la figura 10).As can be seen in Figure 10, the sintered coating with a power of 300 mW and a speed of 0.1 mm / s seems to be more homogeneous (see image c) Figure 10). The coating treated with the same power but with a faster speed shows cracks and more holes in the surface of the film (see image d) of figure 10). At the same time, the coatings treated with an even lower power show several marks associated with the movement of the laser on the coating, revealing a more heterogeneous surface (see images a) and b) of figure 10).
Las condiciones finales optimizadas para el tratamiento con láser permiten obtener recubrimientos continuos sin grietas debido a la eliminación controlada y gradual del aglutinante, evitando la formación de grietas y el crecimiento de agujeros asociados a la rápida evaporación del aglutinante y la contracción de volumen debido a la sinterización de partículas.Optimized end conditions for laser treatment allow to obtain continuous coatings without cracks due to the controlled and gradual removal of the binder, avoiding the formation of cracks and the growth of holes associated with the rapid evaporation of the binder and volume contraction due to the sintering of particles.
PolarizaciónPolarization
Los recubrimientos optimizados anteriormente se polarizaron a diferentes voltajes y su respuesta bajo la prueba de compresión se comparó con la respuesta de una muestra no polarizada (ver figura 11).The previously optimized coatings were polarized at different voltages and their response under the compression test was compared to the response of a non-polarized sample (see Figure 11).
Como se muestra a continuación, la respuesta de una muestra que no ha sido polarizada es insignificante en comparación con la respuesta de una muestra polarizada. El efecto de aumentar el voltaje aplicado se presenta en la Figura 11.As shown below, the response of a sample that has not been polarized is negligible compared to the response of a polarized sample. The effect of increasing the applied voltage is presented in Figure 11.
Los resultados están relacionados con la orientación de la red cristalina PZT. En el caso de un recubrimiento no polarizado, sus dominios están orientados al azar, por lo que su comportamiento piezoeléctrico es bajo. Después del proceso de polarización, una cierta cantidad de dominios se orienta en la misma dirección que está asociada al aumento de la respuesta eléctrica bajo la prueba de compresión. El uso de un voltaje de polarización más alto conduce a un aumento de la respuesta hasta que se alcanza la saturación.The results are related to the orientation of the PZT lattice. In the case of a non-polarized coating, its domains are randomly oriented, so its piezoelectric behavior is low. After the polarization process, a certain number of domains is oriented in the same direction that is associated with the increase in electrical response under the compression test. Using a higher bias voltage leads to increased response until saturation is reached.
De acuerdo con todo ello en las pruebas realizadas se prepararon tintas de nanopartículas PZT y tintas de precursor PZT, las cuales se imprimieron con chorro de tinta sobre superficies cerámicas y metálicas para generar recubrimientos de películas gruesas piezoeléctricas. Se usó un láser de longitud de onda de 1064 nm para sinterizar las nanopartículas de PZT cerámicas y transformar el precursor de PZT en perovskita de PZT.In accordance with all this, in the tests carried out, PZT nanoparticle inks and PZT precursor inks were prepared, which were ink jet printed on ceramic and metallic surfaces to generate piezoelectric thick film coatings. A 1064 nm wavelength laser was used to sinter the ceramic PZT nanoparticles and transform the PZT precursor into PZT perovskite.
Debido a la contracción de volumen sufrida por el recubrimiento a base de precursor PZT durante el tratamiento con láser, este tipo de recubrimientos muestran la peor continuidad. Además, el espectro de rayos X muestra la presencia de otras fases aparte de la perovskita transformada. Tomando estos hechos en cuenta, se asume que los recubrimientos basados en nanopartículas PZT tienen mejores propiedades para la polarización.Due to the volume shrinkage suffered by the PZT precursor-based coating during laser treatment, this type of coatings show the worst continuity. Furthermore, the X-ray spectrum shows the presence of phases other than the transformed perovskite. Taking these facts into account, it is assumed that coatings based on PZT nanoparticles have better properties for polarization.
El tratamiento con láser permite generar recubrimientos de películas gruesas de nanopartículas sinterizadas PZT, por lo que es importante elegir un material de sustrato preciso para favorecer la sinterización de partículas. Los sustratos metálicos parecen ser más apropiados para la sinterización con láser que los sustratos de alúmina.Laser treatment allows the generation of thick film coatings of sintered PZT nanoparticles, so it is important to choose a precise substrate material to promote particle sintering. Metallic substrates appear to be more suitable for laser sintering than alumina substrates.
Los recubrimientos de nanopartículas de PZT impresos en sustrato metálico se optimizaron seleccionando el tratamiento láser adecuado. Después de probar varias condiciones de tratamiento, se encontró el mejor revestimiento de nanopartículas PZT para una potencia de laser de 300 mW y una velocidad de 0,1 mm/s.The PZT nanoparticle coatings printed on metal substrate were optimized by selecting the appropriate laser treatment. After testing various treatment conditions, the best PZT nanoparticle coating was found for a laser power of 300 mW and a speed of 0.1 mm / s.
Finalmente, los revestimientos de nanopartículas de PZT se polarizaron y se caracterizaron por una prueba de compresión. Dependiendo de las condiciones de polarización, la respuesta medida varió de 20 mV a más de 150 mV.Finally, the PZT nanoparticle coatings were polarized and characterized by a compression test. Depending on the polarization conditions, the measured response ranged from 20 mV to more than 150 mV.
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