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PhD Thesis, Itziar Fraile

Itziar Fraile

Itziar Fraile

Title: Desarrollo de recubrimientos funcionales basados en tintas imprimibles mediante Inkjet Printing

Defense Date: 01/06/2018

Directores: Francisco Castro y Mikel Azcona

Abstract

En la presente tesis doctoral se ha desarrollado un método para generar recubrimientos piezoeléctricos de PZT sobre sustratos metálicos.

En primer lugar, se ha profundizado en el estudio del método de impresión Inkjet Printing, puesto que es el método seleccionado para este trabajo. La elección del mismo se debe a que permite generar geometrías complejas sin la necesidad de utilizar plantillas y las pérdidas de material son mínimas.

Para comprender el funcionamiento del Inkjet Printing se deben conocer los parámetros que afectan a la formación de la gota en la punta y a la formación de la línea mediante las gotas que se depositan sobre el sustrato. Hay una gran cantidad de parámetros a tener en cuenta: temperatura, frecuencia, parámetros de onda, características de la punta, propiedades del sustrato, la reología de la tinta...

Para estudiar debidamente la formación de la gota, se emplean disolventes con distintas propiedades para observar el efecto de cada uno de los parámetros sobre la formación de la gota. Sin embargo, para el estudio de la formación de la línea se debe emplear una tinta que genere un patrón sobre el sustrato. Además, debido a la complejidad de las tintas frente a simples disolventes, es aconsejable el uso de tintas para el estudio del método de impresión, incluyendo la formación de la gota.
El estudio del método de impresión es de vital importancia, ya que para poder generar el recubrimiento de PZT se debe desarrollar una tinta de dicho material que sea imprimible mediante Inkjet Printing. Esto sucede porque no existen tintas comerciales de este tipo. El conocimiento sobre el método de impresión facilita en cierta medida la formulación de la tinta.

Para generar la tinta, se debe sintetizar el material. La síntesis de PZT se realiza a través de un método sol-gel modificado, que lleva a la obtención de un gel consistente en el precursor del material. La calcinación del gel permite la obtención de partículas de PZT. Sin embargo, es posible detener el proceso sol-gel en una etapa anterior a la formación del gel del precursor, lo que, a su vez, permite obtener un precursor del material vehiculable que resulta ser adecuado para la fabricación de tintas sin partículas.

La fabricación de las tintas se lleva a cabo mediante el desarrollo de formulaciones adecuadas para la obtención de recubrimientos continuos a partir, tanto, del precursor, como, de las partículas. En cada caso se comprueba experimentalmente el efecto del vehiculo (ya sea un único disolvente o una mezcla de varios) y de todos los aditivos empleados para mejorar las características de los recubrimientos finales. Por simplicidad, hasta desarrollar una formulación adecuada, los recubrimientos se depositan mediante métodos menos restrictivos, como el Spin Coating y el Screen Printing. También se realiza un tratamiento térmico para obtener el recubrimiento final.

Una vez desarrollada la tinta y ajustada para el método de impresión, se generan los recubrimientos sobre dos sustratos distintos, alúmina rugosa y acero inoxidable 304. La elección de dichos sustratos se hace en consideración a las altas temperaturas que se deben emplear para obtener los recubrimientos.

Los recubrimientos se tratan mediante láser y se estudian los efectos del mismo sobre recubrimientos impresos en distintos sustratos y mediante distintas técnicas (Inkjet Printing y Spray Coating). Se optimizan los parámetros del tratamiento láser con el fin de generar recubrimientos continuos y formados por la fase cristalina de PZT.

Los mejores recubrimientos depositados sobre acero, que cumplen estas características, se polarizan a distintos voltajes y se mide su respuesta piezoeléctrica.


Finalmente, se ha logrado mostrar que el proceso desarrollado es adecuado para la generación de recubrimientos piezoeléctricos de PZT impresos mediante Inkjet Printing. Este es un resultado importante, ya que supone que la impresión de recubrimientos piezoeléctricos de diversa geometría sobre sustratos metálicos es posible. Lo que permitiría imprimir sensores o actuadores piezoeléctricos sobre distintas superficies metálicas.

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