Piezoelectricidad
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Piezoelectricidad
La piezoelectricidad y la piroelectricidad son fenómenos asociados con el estrés y la dependencia de la temperatura, respectivamente, de polarización residual o congelada. Aunque varios polímeros poseen estas propiedades, ninguno corresponde a la magnitud de los efectos en el fluoruro de polivinilideno (PVF), que es el polímero piezoeléctrico y piroeléctrico más ampliamente estudiado y utilizado comercialmente. Se pueden inducir permanentemente sustancias piezoeléctricas y piroeléctricas sustanciales calentando las películas extendidas a ∼100 ° C, seguido de enfriamiento a temperatura ambiente con un fuerte campo eléctrico de corriente continua (∼300 kV cm - 1) aplicado. Este tratamiento se llama "poling". Esta polarización, atribuida a la redistribución de las cargas electrónicas o iónicas dentro del sólido o inyectadas por los electrodos, generalmente desaparece al exceder cierta temperatura de polarización. El efecto en PVDF es totalmente diferente en que la polarización inducida es térmicamente reversible y las corrientes de polarización se producen al calentar o enfriar. El fluoruro de polivinilideno es un polímero cristalino que existe en al menos tres y tal vez más fases cristalinas. Dado que el polimorfismo es un ingrediente clave para determinar las propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas, es digno de discusión. La fase I (forma β) tiene una conformación en zigzag plana y ordena enlaces C - F, dando un dipolo de grandes unidades de 2.1 debye (D). Este gran momento y la facilidad con la que puede orientarse, debido al pequeño volumen atómico de flúor, explica la alta permitividad. La fase II (forma α) tiene una conformación con dos cadenas de momento dipolar opuestas por unidad celular. Las muestras cristalizadas en estado fundido por debajo de 150 ° C son en gran parte de fase II, aunque las películas de fase I se pueden hacer fundiendo con solventes apropiados y técnicas de alta presión. La tensión inducida por el estiramiento biaxial a temperaturas alrededor de 60 ° C puede causar transformaciones de la fase α a β. Contrariamente a las expectativas iniciales, la fase II no es polar en todas las circunstancias, pero puede tener momentos dipolares de celdas unitarias D1.5 D después de la orientación de las películas polares. Estudios más recientes han revelado la existencia de una tercera fase, llamada γ, en películas fundidas por dimetilformamida y recocidas a 170 ° C. La fase γ es incierta, pero se ha propuesto que es una fase II modificada con una unidad de repetición doble. La necesidad de poling para inducir un comportamiento piezoeléctrico y piroeléctrico permanente y la intuición de que estos fenómenos están íntimamente asociados con la forma polimórfica han inducido a varios trabajadores a intentar detectar cambios estructurales debido al poling. Se detectaron cambios reversibles en la absorción infrarroja polarizada a 510 y 445 cm - 1 cuando se repitieron el despolarización y la poling. Se informó una pequeña variación en la difracción de rayos X cuando se polarizó la fase β PVF, y también se informaron variaciones en la constante dieléctrica y la pérdida. Sobre la base de estas observaciones, se podría concluir que el origen de la polarización espontánea en PVDF se debe a la orientación del dipolo en los cristalitos β y que la orientación puede ser revertida en parte por el campo eléctrico; es decir, PVDF tiene algunos aspectos del comportamiento ferroeléctrico. Sin embargo, aún no se ha encontrado evidencia directa de la existencia de dominios o un punto Curie en PVDF. El hecho de que el poling bastante eficiente se produce a temperaturas de 130 ° C, en comparación con las temperaturas de transición de la fase β-α de 180 ° C y el punto de fusión de la fase α de ∼200 ° C, sugiere que la orientación de la dipolo no se produce en la fase cristalina. En cambio, se cree que ocurre en regiones desordenadas que tienen una similitud conformacional con la forma β pero con desorden lateral entre las cadenas. La relación estructura-propiedad de PVDF es un tema extremadamente complejo que sigue siendo un área de controversia y controversia. Existe evidencia de que otros efectos, como las cargas inyectadas durante el proceso de sondeo, además de la reorientación del dipolo, también pueden ser importantes. Se ha encontrado otra evidencia para constantes piroeléctricas no uniformes y el campo eléctrico interno después del sondeo. Parece poco claro que las cargas de espacio interno en las películas pueden tener una influencia significativa en el proceso de votación. En resumen, quizás sea conveniente enfatizar el hecho de que las propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas pueden depender bastante de la muestra en términos de pureza, morfología y procedimiento de procesamiento detallado. Por lo tanto, se hace muy difícil identificar un mecanismo específico cuando, de hecho, pueden estar operativos varios interrelacionados.
