A produção de cerâmica eletrônica do tipo piezoelétrica nacional ainda não é capaz de ter como matéria-prima o Titanato Zirconato de Chumbo (PZT) produzido no Brasil. O gargalo encontrado para essa produção é o fornecimento de Óxido de Zircônio. O domínio do processamento dessas cerâmicas com pó importado, levou à produção de cerâmicas com 97% da densidade teórica, de microestruturas homogêneas com grande potencial para aplicações em dispositivos piezoelétricos, como por exemplo, os transdutores eletroacústicos. Nesse trabalho, ambos os pós de PZT tipos I e III, importados, foram prensados uniaxialmente à 70 MPa e sinterizados à 1200 e 1250ºC por 3h. Foram realizadas medidas de retração, perda de massa, densidade relativa e porosidade aparente. A densidade relativa do PZT I foi de 96%

Cabral, Ricardo de Freitas

Itaboray, Lucas Mendes

Melo, Jairo Moura de

Santos, Anna Paula de Oliveira

Santos, Marcia Cristina Cavaco dos

Santos, Maria Aparecida Pinheiro dos

Portuguese

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Artigo
Original
Original 
Paper
¹ Engenharia Elétrica - UniFOA
2 Engenharia Ambiental - UniFOA
3 Pesquisador - Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM)
4 Professor responsável Doutor - UniFOA / Professor Doutor - Centro Universitário Geraldo Di Biase – UGB
Avaliação das propriedades físicas de cerâmicas piezoelétricas tipos PZT I e 
III utilizadas em transdutores eletroacústicos
Evaluation of physical properties of PZT piezoelectric ceramics types I and III 
used in electroacoustic transducers
Resumo
A produção de cerâmica eletrônica do tipo piezoelétrica nacional ainda 
não é capaz de ter como matéria-prima o Titanato Zirconato de Chumbo 
(PZT) 100 % produzido no Brasil. O gargalo encontrado para essa pro-
dução é o fornecimento de Óxido de Zircônio nacional. O domínio do 
processamento dessas cerâmicas com pó importado, levou à produção 
de cerâmicas com 97 % da densidade teórica, de microestruturas homo-
gêneas com grande potencial para aplicações em dispositivos piezoelé-
tricos, como por exemplo, os transdutores eletroacústicos. Nesse tra-
balho, ambos os pós de PZT tipos I e III, importados, foram prensados 
uniaxialmente à 70 MPa e sinterizados à 1200 e 1250 ºC por 3h. Foram 
realizadas medidas de retração, perda de massa, densidade relativa e 
porosidade aparente. A densidade relativa do PZT I foi de 96 %.
Palavras-chave
PZT
Processamento
Propriedades 
piezoelétricas
Transdutores 
eletroacústicos
1 Lucas Mendes Itaboray
2 Anna Paula de Oliveira Santos
3 Maria Aparecida Pinheiro dos Santos
3 Jairo Moura de Melo
3 Marcia Cristina Cavaco dos Santos
4 Ricardo de Freitas Cabral
Abstract
The production of domestic electronic ceramic piezoelectric type is 
not able to have as a raw material of lead zirconate titanate (PZT) 
produced in Brazil. The bottleneck found for this production is the 
provision of zirconium oxide. Processing of these ceramics field with 
imported powder, led to the production of ceramics with 97 % of 
theoretical density, homogeneous microstructure with great potential 
for applications in piezoelectric devices such as electro-acoustic 
transducers. In this work, both post PZT types I and III, imported, were 
uniaxially pressed at 70 MPa and sintered at 1200 and 1250 ºC for 
3 hours. Retraction was measured, weight loss, relative density and 
porosity. The relative density of the PZT I was 96 %.
Key-words
PZT
Processing
Properties Piezo
Electroacoustic 
Transducers
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1. Introdução
O efeito piezoelétrico foi descoberto em 
1880 pelos irmãos Curie e utilizado em uma 
aplicação prática pela primeira vez por Paul 
Langevin no desenvolvimento de sonares du-
rante a primeira guerra mundial. Langevin 
utilizou cristais de quartzo acoplados a mas-
sas metálicas (inventado o transdutor tipo 
Langevin) para gerar ultra-som na faixa de 
algumas dezenas de kHz’s (GOLJAHI, 2013; 
ZHANG, 2004). Após a primeira guerra mun-
dial, devido à dificuldade de se excitar trans-
dutores construídos com cristais de quartzo 
por estes demandarem geradores de alta ten-
são, iniciou-se o desenvolvimento de mate-
riais piezoelétricos sintéticos. Estes esforços 
levaram à descoberta e aperfeiçoamento nas dé-
cadas de 40 e 50, das cerâmicas piezoelétricas 
de Titanato de Bário pela então URSS e Japão, 
e das cerâmicas piezoelétricas de Titanato 
Zirconato de Chumbo (PZT’s) pelos EUA 
(KOUR, 2013; YANG, 1998; KHALID, 2011). 
O desenvolvimento das cerâmicas piezo-
elétricas foi revolucionário. Além de apresen-
tarem melhores propriedades que os cristais 
após “polarizadas”, também oferecem geome-
trias e dimensões flexíveis por serem fabrica-
das através da sinterização de pós cerâmicos 
conformados via prensagem. Atualmente as 
cerâmicas piezoelétricas tipo PZT, em suas 
diversas variações, são as cerâmicas predo-
minantes no mercado. Também podemos en-
contrar outros materiais, como por exemplo, o 
PT (PbTiO3) e o PMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3), 
utilizados em dispositivos que exigem pro-
priedades especiais e muito específicas, como 
transdutores para alta temperatura (YANG, 
1998; FESENKO, 2003).
As Cerâmicas Piezoelétricas apresentam 
grande flexibilidade de formato e de proprie-
dades, sendo largamente utilizadas na fabrica-
ção de equipamentos ultra-sônicos de potên-
cia, de ensaios não destrutivos e de atuadores. 
Os materiais piezoelétricos também são uti-
lizados em detonadores de impacto, gerado-
res de faíscas (magic clicks), nebulizadores, 
atuadores, posicionadores e transformadores, 
entre outras aplicações. (KHALID, 2011; 
FESENKO, 2003).
O objetivo desta pesquisa foi o de desen-
volver  material  piezoelétrico do tipo PZT, 
quimicamente estável, denso, que apresente 
pouca perda de massa e que promova o seu 
emprego como transdutores eletroacústicos.
2. Procedimentos Experimentais
2.1. Processamento cerâmico
Os pós de PZT utilizados foram o tipo I 
(SP-4) dopado com estrôncio produzido pela 
empresa Sparkler Ceramics Pvt. Ltda. e o tipo 
III (EC-69) dopado com ferro produzido pela 
EDO Corporation.
Os corpos verdes foram moldados por 
prensagem uniaxial  a 70 MPa em matriz de 
1,998 cm de diâmetro em três estágios: 0,7; 
1,4 e 2,1 Tons, com 10s de aplicação de carga 
para cada estágio numa prensa de bancada  da 
marca  MARCON. 
Para as medições de retração do diâme-
tro e da espessura, foi utilizado um paquí-
metro com precisão de 0,01 mm.  Mediu-se 
as dimensões dos corpos verdes e depois 
dos sinterizados. Para as medidas de perda 
de massa, pesou-se a massa do corpo verde 
e depois a massa após a sinterização. Para a 
densidade por Arquimedes, de acordo com a 
norma NBR 6220 foram realizadas medidas 
da massa imersa, úmida e seca com o uso de 
uma balança de precisão de 0,001g da marca 
Mettler e modelo AE 200. A densidade relati-
va (ρrel) das amostras foi dada pela fração da 
densidade média experimental pelo método de 
Arquimedes e da densidade teórica dos PZT 
dada pela equação 1:
(1)
onde, ρA é a densidade de Arquimedes.
ρt é a densidade teórica.
Os corpos de prova foram sinterizados 
a 1200 e 1250 °C, com taxa de aquecimento 
e resfriamento de 4 ºC/min até 400 °C, por 1 
h, seguida de um aquecimento de 8 °C/min 
até 1200/1250 °C com atmosfera controla-
da de chumbo, em forno Thermolyne 46200, 
do IPqM. As amostras foram sinterizadas em 
cadinhos herméticos de alumina para manter 
uma atmosfera controlada de chumbo.
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3. Resultados e Discussões
A Figura 1 apresenta os resultados da 
retração linear do diâmetro e da espessura do 
PZT I e III. Os resultados de retração do diâ-
metro e da espessura do PZT I foram maiores 
em relação aos do PZTIII, nas duas condições 
de sinterização, 14 e 15% e 8 e 12%, respec-
tivamente. Estes percentuais demonstram que 
a densificação (GERMAN, 1996) ocorrida na 
amostra de  PZT I foi mais eficaz quando com-
parada ao do PZT III. A Figura 3 (a) e (b) cor-
robora estes resultados, ou seja, os valores de 
densidade relativa do PZT I foram de 96% nas 
duas condições de sinterização com porosida-
de muito baixa, da ordem de 0,5%, enquanto 
que no PZT III as densidades foram de 75% 
a 1200 °C e 84% a 1250 °C com valores de 
porosidades bem mais elevadas, de 22,0% e 
8,5%, respectivamente.
Figura 1 - Valores de retração linear do diâmetro e da espessura do PZT I e III
A Figura 2 ilustra a perda de massa do 
PZT I e III a 1200 e 1250 °C, que situaram-
se na faixa de 2,0 à 3,5% nas duas condições 
de sinterização e em todas as composições. 
Provavelmente, estes resultados mostram que 
houve pequena volatilização de chumbo nas 
temperaturas empregadas (GERMAN, 1996, 
REED, 1995).
Figura 2 - Perda de massa do PZT I e III
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A Figura 3 (a) e (b) mostra os resulta-
dos de densidade percentual do PZT I e III 
em corpos verdes e sinterizados e a porosida-
de aparente, respectivamente. Como pode ser 
visto na Figura 3 (a), os valores de densidade 
relativa dos corpos verdes do PZT I e III si-
tuaram-se em 60%, o que está de acordo com 
valores da literatura para os materiais cerâmi-
cos (GERMAN, 1996; REED, 1995). Já para 
as amostras sinterizadas, o PZT I nas duas 
condições de sinterização apresentou valores 
de densidade em torno de 96%, que foram 
bem superiores aos do PZT III, que ficaram 
em torno de 75 e 84%, a 1200 e 1250 °C, res-
pectivamente. Isto mostra que provavelmente 
o PZT I por ser mais denso, o seu emprego em 
transdutores eletroacústicos, será mais adequa-
do. A Figura 3 (b) confirma estes resultados de 
densificação, já que os resultados de porosida-
de aparente para o PZT I apresentou valores de 
0,5% nas duas temperaturas e para o PZT III, 
os resultados foram bem elevados, de 22,0 e 
8,5%, a 1200 e 1250, respectivamente. Os re-
sultados de densificação para o PZT I são bem 
satisfatórios levando em consideração que foi 
realizado apenas prensagem uniaxial e sinte-
rização convencional, processo relativamente 
simples e barato. Por outro lado, utilizando-se 
sinterização por prensagem a quente, processo 
mais nobre e caro, a densidade deste compósito 
atinge valores da ordem de 99%, nas mesmas 
temperaturas empregadas (ZHANG, 2004).
4. Conclusões
O PZT I apresentou retração linear de di-
âmetro e espessura de 14 e 15%, que por sua 
vez foram superiores aos do PZT III, de 8 e 
12%, respectivamente.
A perda de massa tanto no PZT I como 
no III foram da ordem de 2,0 à 3,5%.
Dados de perda de massa dos compactos 
indicaram que o sistema fechado, o pó e a atmos-
fera usados na sinterização, não foram eficazes 
para reprimir totalmente a volatilização de PbO.
O PZT I apresentou densidade relativa 
de 96% nas duas condições de sinterização. 
Já o PZT III apresentou 75 e 84%, à 1200 e 
1250°C, respectivamente.
A porosidade aparente do PZT I foi de 
0,5%, nas duas condições de sinterização, en-
quanto que no PZT III foram de 22,0 e 8,5% 
em 1200 e 1250°C, respectivamente.
Em trabalho futuro, as propriedades  pie-
zoelétricas  das  amostras de PZT I e III, obtidas 
nesse trabalho, serão avaliadas e deverão  res-
ponder aos requisitos técnicos necessários para 
sua utilização em transdutores eletroacústicos.
Agradecimentos
 Os autores agradecem ao Centro 
Universitário de Volta Redonda (UniFOA) e ao 
Instituto de Pesquisa da Marinha (IPqM), pelo 
apoio dado ao desenvolvimento desse projeto.
Figura 3 - Resultados de (a) densidade relativa dos corpos verdes e sinterizados do PZT I e 
III e (b) porosidade aparente do PZT I e III
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Referências
FESENKO, E. G.; OLGA, RAZUMOVSKAYA, N. Influence of The Chemical Composition on 
the Physical Properties of PZT -TYPE Piezoceramic Transducers; Molecular and Quantum 
Acoustics, v.24, 2003.
GERMAN, R. M. Sintering Theory and Pratices, John Wiley & Sons, 1996.
GOLJAHI S.; LYNCH, C. S. Effects of electric field on the fracture toughness (KIc) of ceramic 
PZT. Smart Materials and Structures, v. 22, n. 9, 2013.
KHALID, M.; SHOAIB, M.; KHAN, A.; Strontium doped lead zirconate titanate ceramics: study 
of calcination and sintering process to improve piezo effect. Journal. Nanoscience Nanotechnol, v. 
11, n. 6, p. 5440-5445, 2011.
KOUR, P.; SINHA, S. K.; Studies of Sr2+ ion substitution on ferroelectric and piezoelectric properties 
of PZT nanocrystalline. Cerâmica, v. 59, n. 349, 2013.
NBR 6220, Material refratário denso. Determinação da massa específica aparente, porosidade aparente, 
absorção e massa específica aparente da parte sólida, ABNT, 1990.
REED, J. S., Principles of Ceramics Processing, John Wiley & Sons, 1995.
YANG, J. S.; CHEN, X. M., AIZAWA, T., KUWABARA, M.; PZT based piezoelectric ceramics 
with enhanced fracture toughness. Solid State Ionics, v. 108, p. 117–121, 1998.
ZHANG, T. Y.; GAO, C. F.; Fracture behaviors of piezoelectric materials. Theoretical and Apllied Fracture 
Mechanics, v. 41, p. 339–379, 2004.


Avaliação das propriedades físicas de cerâmicas piezoelétricas tipos PZT I e III utilizadas em transdutores eletroacústicos

http://revistas.unifoa.edu.br/index.php/cadernos/article/download/270/211

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