Análisis de la respuesta de estructuras reticulares planas auxéticas fabricadas con material piezoeléctrico

Abstract

Un material piezoeléctrico (del griego piezein, “estrujar”) se caracteriza porque genera una diferencia de potencial eléctrico entre sus superficies cuando es sometido a una tensión mecánica. El fenómeno, es denominado “directo” cuando la energía mecánica es convertida en energía eléctrica. Esta variante del fenómeno sirve de base para el desarrollo de sensores. De manera análoga, el material se deforma debido a tensiones mecánicas que aparecen en su dominio como consecuencia de estar expuesto a una diferencia de potencial eléctrico. Esta otra versión del efecto, denominada “indirecto”, y tiene utilidad como actuador. El empleo de estructuras reticulares auxéticas fabricadas con material piezoeléctrico viene siendo objeto de estudio los últimos años, debido a la notable mejora que conlleva en las propiedades mecánicas y eléctricas del material. Varios artículos científicos apuntan a que esto es debido a su coeficiente de Poisson negativo. En el presente Trabajo de Fin de Grado, se lleva a cabo el análisis del efecto del comportamiento de una configuración reticular auxética en las propiedades globales de una cerámica piezoeléctrica, empleando el software ANSYS, basado en el Método de los Elementos Finitos (MEF). Para ello, se someterá la celosía a un ensayo mecánico y a un ensayo piezoeléctrico, con la finalidad de cuantificar los acoplamientos mecánico y piezoeléctrico que provoca el empleo de la estructura, y comparar estos valores con resultados experimentales disponibles en la literatura. Por último se justificaran los resultados obtenidos, exponiendo sus diferencias y semejanzas con los mostrados en diversos artículos.

Piezoelectric materials’s are known for generating an electrical potential when stressed. This phenomenon is named “direct effect” when mechanical energy is converted to electric energy. This variant of the phenomenon is useful for the development of sensing devices. Analogously, the aplicattion of an electrid field generates mechanical strain in the piezoelectric ceramic, inducing a deformation in it. This other phenomenon’s version, denominated “indirect effect”, used as actuator. The combination of this phenomenon and auxetic reticular structures has been studied for the last years, due to the notable improvement that entails in mechanical and piezoelectric material’s properties. Several scientific experiments assert this is due to their negative Poisson coefficient. In this final degree Project, the analysis on the effect of an auxetic lattice behaviour in some ceramic’s piezoelectric properties is carried out. For this, it will be used the software ANSYS, based on the Finite Element Metod (FEM). The lattice will be tested under mechanical stress and an electric field, with the aim of quantifying the mechanical and electrical coupling caused by the employment of the structure. Furthermore, these results will be compared with experimental results availables in the literature. By last, the results obtained will be justified, exhibiting their similarities and differences with the results shown in various articles.