CAMPO TÉCNICO

[001] La presente tecnología se encuentra enmarcada en las tecnologías verdes de energía alternativa y amigables con el medio ambiente, ya que, mediante la misma, se obtiene un material en forma de láminas que al ser sometidas a tensiones mecánicas adquieren polarización eléctrica en su masa para la producción de energía limpia, principalmente para aplicaciones viales y peatonales a partir de compresión y descompresión de este tipo de material.

ESTADO DE LA TECNICA

[002] La búsqueda de generación de energía diferente a la producida por los materiales fósiles se ha convertido en un objetivo primordial en la época actual, principalmente por el eventual agotamiento de este recurso no renovable y por la producción de contaminación principalmente la emisión de gases efecto invernadero que afectan el clima mundial generando el conocido calentamiento global.

[003] En este sentido, una generación de energía alternativa es la proporcionada por el fenómeno de piezoelectricidad que presentan algunos materiales cerámicos ai ser sometidos a tensiones mecánicas para la producción de energía. En este sentido, se conoce por ejemplo la patente colombiana NC2017/0004741 que reporta un material piezoeléctríco que comprende un material cerámico ferroeléctrico que está compuesto de un insumo libre de plomo.

[004] De otra parte, se conoce el documento CN104710174 que muestra un material dieléctrico de cerámica libre de plomo con propiedades de alta densidad y de alta tensión, en donde los componentes del material se expresan mediante la fórmula general (0.95-xyz) Bi0.5Na0.5Ti0 ₃ -xBi0.5K0.5Ti0 ₃ -yBa0.65Sr0.35Ti0 ₃ - zK0.5Na0.5Nb0 ₃ -0.05LiTa0 ₃ , en la que x, y, z representan las fracciones molares; X es mayor o igual que 0,002 y menor o igual que 0,3; Y es mayor o igual que 0,002 y menor o igual que 0,2; Z es mayor o igual que 0,001 y menor o igual que 0,3. También enseña un proceso de obtención del material que se basa en la sinterización mediante la adopción de plasma de descarga eléctrica obteniéndose una textura cerámica uniforme y densa a una temperatura de sinterización baja. [005] También se conoce el documento W02011/010484 que se refiere a un cuerpo piezoeléctrico útil como sensor, actuador, transductor ultrasónico, etc. El cuerpo piezoeléctrico comprende una estructura de laminado alternativo de una capa de un organo onio (G) y una capa de una fase inorgánica (MX4) y una fase inorgánica (MX4) laminada alternativamente en capas, o un compuesto que comprende partículas agregadas de estructura de grafeno y estructura de perovskita de un tamaño de partícula promedio de no más de 200 nm.

[006] De otra parte, se conoce el documento US5153859 el cual muestra un método para formar una estructura piezoeléctrica laminada en el que una pluralidad de películas piezoeléctricas polarizadas de fluoruro de vinilideno y trifluoroetiieno se sueldan juntas con disolvente. La solución de soldadura con disolvente comprende un copolímero de fluoruro de vinilideno y trifluoroetiieno y un disolvente adecuado. También se describen los transductores producidos a partir de tal estructura laminada. Enseña además que se aplican conductores de hebras de cobre (calibre 26) al lado de cobre de cada electrodo usando una soldadura de plomo-estaño convencional y cableado de una pluralidad de baldosas laminadas en paralelo para formar una cadena de longitud indefinida.

[007] Por su parte, el documento W02007/143244 enseña un material tipo zumbador piezoeléctrico el cual incluye una capa vibratoria capaz de soportar temperaturas superiores a 260°C durante al menos cinco minutos mientras mantiene su capacidad de vibrar y producir un zumbido a un nivel de al menos 80dB, y un material piezoeléctrico de alta temperatura que tiene una temperatura de Curie superior a 260°C y una o más de las siguientes propiedades: un coeficiente de acoplamiento plano (kp) de al menos aproximadamente 0,5; un coeficiente de acopiamiento longitudinal (k33) de al menos aproximadamente 1500: y un factor de calidad mecánica (Qm) de al menos aproximadamente 2000 y enseña además un proceso que involucra la suspensión de polvos en agua desionizada y se muelen mediante bolas durante 16 horas. La suspensión espesa en polvo resultante se seca luego a 130°C y se calcina a 950°C durante 3 horas.

[008] Finalmente, se conoce el documento US2019/0189904 que describe un dispositivo piezoeléctrico, en donde se proporciona una primera capa piezoeléctrica seca (primer PL seco) que comprende un material dieléctrico y tiene una primera y una segunda superficie opuesta; y luego se proporciona una primera capa conductora de electricidad seca (primera ECL-P seca) que está dispuesta contigua a la primera superficie opuesta de la primera PL seca, en donde el primer ECL- P seco tiene un material conductor de electricidad; y partículas distribuidas dentro del material eléctricamente conductor, en donde las partículas tienen un módulo de Young que es diferente del módulo de Young del material eléctricamente conductor en al menos un 10% y las partículas tienen un d50 de al menos 500 nm y hasta 500 pm y un coeficiente de polidispersidad menor que 3. La relación en peso de las partículas al material eléctricamente conductor es al menos 0.01 :1 y hasta 10:1 y en donde las partículas pueden ser de plata.

[009] De acuerdo con lo anterior, se ha identificado una necesidad de proporcionar un material piezoeléctrico que pueda estar en forma de láminas en donde el material comprenda grafito y que se encuentre libre de plomo y que pueda generar de manera eficiente y mejorada energía alternativa y un proceso de fabricación del mismo en donde el proceso sea sencillo y con condiciones suaves a bajo costo.

[010] En este sentido, es un objetivo de la presente invención proporcionar dicho material y un proceso para su fabricación, en donde el material piezoeléctrico convertido, por ejemplo, en láminas que comprenda grafito y que las láminas puedan generar energía de manera eficiente y mejorada comparado con materiales piezoeléctricos que no contienen grafito.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

[011] La figura 1 ilustra la estructura que conforman los cristales (20) con el grafito (30) dentro de la composición de la cerámica (10).

[012] La figura 2 muestra la cerámica piezoeléctrica con los contactos creados con la pintura conductora de cobre y arandela de silicona (50).

[013] Las figuras 3 y 3A muestran la curva de conducción de corriente eléctrica y voltaje generado versus el esfuerzo que se realiza sobre el generador piezoeléctrico.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

[014] La presente invención hace referencia a un material cerámico piezoeléctrico que comprende grafito y que se encuentra libre de plomo, en donde el material en forma de láminas pueda generar energía alternativa de manera eficiente y mejorada. También la presente invención hace referencia a un proceso para la producción de dicho material cerámico y piezoeléctrico en láminas bajo condiciones suaves de producción. En donde el material piezoeléctrico tiene cualquier forma de acuerdo con el molde en el cual se haga.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

[015] En un primer aspecto, la presente invención hace referencia a un material piezoeiéctrico que comprende un material cerámico libre de plomo en donde ei material cerámico (10) es un laminado que comprende Títanato de Bario (BaTi0 ₃ ) en polvo ultrafino, grafito en una proporción entre 10% y 20% del material base en forma de polvo fino y un material ligante que es poiivinii alcohol (PVA) ei cual se encuentra en una proporción desde 2.5% a 7.5%, de preferencia 5% en peso en agua desmineralizada a una temperatura de 60°C.

[016] En un segundo aspecto, la presente invención hace referencia a un proceso para la obtención de dicho material libre de plomo y que comprende grafito, en donde el material tiene propiedades piezoeléctricas para ia generación de energía alternativa, en donde el proceso comprende las siguientes etapas: a. Proporcionar como material base titanato de bario (BaTi0 ₃ ) en polvo fino; b. Agregar a dicho material base grafito en polvo en una proporción de 10% a 20% respecto al material base y un material ligante que se encuentra disueito en una proporción de 2.5% a 7.5% en peso en agua desmineralizada y a una temperatura de 60°C: c. Homogenizar la mezcla obtenida en el paso b) hasta obtener una coloración grisácea uniforme del grafito; d. Tamizar mecánicamente con vibración que separa las partículas sólidas presentes en la mezcla del paso c); e. Reducir la presión de la mezcla obtenida en el paso d) mediante vacío durante 30 segundos a 60 segundos, preferiblemente entre 30 segundos y 40 segundos a una presión de entre 3 y 5 Pascal [Pa] eliminando el aire dentro de ia mezcla f. Someter la mezcla obtenida en el paso e) a prensado dentro de una matriz a una fuerza de 100KN y con una velocidad de prensado de 2 KN/segundo; g. Realizar un desmoldado o separación de la cerámica en verde mediante vibración mecánica; h. Someter la cerámica (10) obtenida en el paso g) a un proceso de horneado en un horno o mufla con una curva de temperatura hasta una temperatura máxima entre 1 .200°C y 1.300°C durante un periodo de 1 a 2 horas; i. Lijar las superficies del material cerámico obtenido en el paso h) con una lija de grano 200 a fin de retirar las irregularidades en las dos caras del material, en donde el lijado puede ser con agua normal; j. Someter el material obtenido en el paso i) a un precalentamiento a 100°C para eliminar la humedad; k. Aplicar sobre la superficie del material laminado una capa uniforme de pintura (40) a base de cobre a una temperatura de 100°C a fin de crear electrodos sobre las caras del material cerámico y de tal forma que se obtiene un nivel de resistencia eléctrica menor a 1 ohmio para garantizar su mayor conductividad; l. Elevar la temperatura hasta 150°C por un periodo de 2 a 7 minutos, de preferencia 5 minutos a fin de mejorar la adhesión y contacto eléctrico con la superficie del material cerámico; m. Agregar una protección dieléctrica que comprende silicona química de alta temperatura en forma de arandela (50) en el contorno del material laminado; n. Polarizar el material cerámico obtenido en el paso m) a una temperatura de entre 120°C y 170°C, de preferencia a 150°C y aplicar un potencial eléctrico entre 10.000V y 20.000V DC por un periodo de 30 a 70 segundos, de preferencia 40 segundos y disminuyendo la temperatura desde 150°C hasta 80°C; o. Enfriar el material cerámico del paso n) hasta temperatura ambiente, la cual puede ser desde 15°C a 30°C; y p. Retirar la protección dieléctrica de silicona química aplicada en el paso m) y descargar ei material cerámico con una resistencia de 1000ohmios a 1 W.

[017] El proceso para la obtención del material libre de plomo y que comprende grafito (30) de acuerdo con la presente invención, puede comprender una etapa adicional q) que corresponde a la verificación de las propiedades piezoeléctricas del material cerámico obtenido del paso p) mediante un aparato medidor del parámetro d33, el cual indica ia cantidad de energía producida por unidad de fuerza aplicada en unidades de pC/N.

MEJOR FORMA DE LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN [018] Preparar el material base que es titanate de bario (BaTi0 ₃ ) en polvo el cual deberá estar libre de impurezas, totalmente tamizado para lo que se utiliza un colador fino también se integra el grafito (30) en polvo por el tamizado tres veces para garantizar ia homogeneidad de ios dos componentes, se integra el alcohol polivinil el cual se prepara con agua destilada con una temperatura 60°C se integra a la mezcla y se continúa tamizado tres veces para homogenizar todo el compuesto aún más. Se extrae el aire con una bomba de vacío entre 3 y 5 Pascal [Pa].

[019] Luego se coloca la mezcla en una matriz la cual determinará las dimensiones en las cuales se establecerá el tamaño de la cerámica, se somete a una compresión de 100KN y con una velocidad de prensado de 2 KN/segundo. El cual tendrá por resultado una cerámica en verde.

[020] Seguidamente, la cerámica en verde se extrae de la matriz, y se coloca en la base del horno y se inicia el proceso de calcinado entre 1 .200°C y 1 .300°C en donde se genera una línea de elevación térmica para que llegue a los 1 .200°C en una hora y se sostiene por 30 minutos hasta llegar a los 1 .300°C y luego esta cae hasta llegar a la temperatura ambiente alrededor de una hora.

[021] Luego la cerámica ya consolidada es extraída y se procede a pulir las caras de esta para limpiar residuos o impurezas que se hallan generado, se lava con agua con una lija de grano más fino. Posteriormente, se somete a un proceso de liberación de humedad a 100°C por 20 minutos.

[022] A la cerámica obtenida se le aplica a las dos caras de esta la pintura conductora a base de cobre con una temperatura de 150°C permitiendo la adherencia como el secado de forma inmediata creando ios electrodos y se deja descender la temperatura. La forma de la cerámica es de forma de disco, la cual garantiza su integridad estructural y sus dimensiones dependerán de la matriz que se utilice para el proceso de prensado.

[023] En el proceso de polarización en la cual la cerámica se le adiciona una protección dieléctrica en silicona en la parte exterior como se observa en la figura 2, luego se inicia aumentando ia temperatura entre 120°C y 170°C, y se aplica un potencial eléctrico entre 10.000 y 20.000 VDC por un periodo de 30 a 70 segundos el cual alineara los dominios eléctricos del material y se deja descender con esta carga eléctrica hasta que el material se descargue ya que este, en este instante, se comportara como un capacitor de alto voltaje, se realiza uniendo las dos terminales eléctricas una resistencia eléctrica de descarga de 1000 ohmios a 1 W.

[024] Opcionalmente, se verifica el coeficiente d33 con propiedades piezoeiéctricas de la cerámica elaborada dentro de las cuales será para esta mayor a 40 pC/N además de verificar su polarización que se da al darle la vuelta a la cerámica, la cual mostrará el mismo valor, pero con signo negativo.

[025] Haciendo referencia a las Figs. 3 y 3A en donde se ilustra gráficamente los resultados obtenidos de la Tabla 1 , la cual representa la cantidad de corriente en amperios (A) generada y de energía en Voltios (V) entregada por una celda de generación con Titanato de Bario (BaTi03) y otra con Titanato de Bario (BaTi03) con Grafito expuestas a presión en Kg de fuerza con un tiempo de variación de 0.25 segundos.

[026] En la gráfica 3A se observa el aumento en la conducción de corriente eléctrica en Amperios (A) dado que la corriente aumenta significativamente dependiendo del esfuerzo que se realiza sobre el generador piezoeléctrico. Como resultado se observa que la lámina de cerámica (10) con Grafito (30) de la presente invención tiene un aumento significativo en la conducción de corriente eléctrica frente a las láminas que no contienen Grafito.

VENTAJAS Y BENEFICIO DE LA INVENCIÓN

[027] Como ventaja al integrar grafito ai desarrollo del material en la generación de cristales (20) por calcinación se genera entre estos además de un arraigamiento entre estos de tipo conductor eléctrico, esto permitiendo que se tenga mayor conducción eléctrica al realizar la compresión y descompresión del dispositivo piezoeiéctrico

[028] Cuando se realiza la polarización del material y la alineación de los dominios de las paredes de la cerámica estos serán más altos y ordenados por contener el grafito en su estructura, permitiendo la alineación como generación de corriente eléctrica.

[029] En la tabla 1 se muestra la cantidad de energía entregada por una celda de generación con Titanato de Bario (BaTi0 ₃ ) y otra con Titanato de Bario (BaTi0 ₃ ) con Grafito expuestas a presión en kf fuerza con un tiempo de variación de 0.25 segundos. Tabla 1 . Las propiedades piezoeléctricas de la cerámica.

[030] Como se ve en ¡a tabla 1 se observa el aumento en la conducción de corriente eléctrica en Amperios (A) dado que ia corriente aumenta significativamente dependiendo del esfuerzo que se realiza sobre el generador piezoeléctrico.