Electrical degradation process and Mechanical performance of

Piezoelectric ceramics for Different poling conditions

Toshio Tanimoto and Kiyoshi Okazaki

Department of Materials Science and Ceramic Technology Shonan Institute of Technology

Tsujido-Nishikaigan, Fujisawa, Kanagawa 251, Japan

3 월 20 일 권오덕

Synopsis

Degradation process of piezoelectric property : fatigue loading and mechanical performance for piezoelectric ceramics => The effects of poling conditions

Piezoelectric ceramics : (PZT), PZT samples : (case 1) Polarization by applying DC field

(case 2) 85℃ for two hours as an aging treatment(case 3) re-polarization

, DC field was applied on the samples at above a Curie point in advance to polarization at below the Curie point

33 PbTiOPbZrO 3BaTiO

3BaTiO

- Curie point : 강유전체의 영구쌍극자는 저온에서는 쌍극자의 상호작용에 의하여 규칙적으로 배열되지만 결정의 온도가 올라가면 열적효과에 의하여 규칙성이 점차 상실되어 자발분극은 고온이 될수록 감소하여 어느 온도에 이르면 소멸된다 . 그 온도를 큐리점 , Tc 라고 한다 .

Poling( 분극 )

E= V/d [V/m] : 유전체 양쪽 끝에 전극을 붙여 전압 V 를 인가하면 유전체에 전계 E 가

가해지며 , 전계가 가해지는 순간 충전전류가 흐르게 됨 .

충전전류는 전계가 가해짐에 의하여 유전체 내부에 쌍극자능률이 유기되어 전극위에

쌍극자의 끝부분을 중화시키기 위한 전하가 흘러들어오는 것에 대응됨

전기분극은 유전체 속의 하전입자가 전계 E 가 가해짐에 의하여 적은 거리만큼 변위되어

전기쌍극자가 생성된 상태

Synopsis First, the effect of applied voltage values in poling on the

piezoelectric constant and mechanical fatigue properties Second, the degradation process of piezoelectric coupling

constant under repeated compressive fatigue loading and static compressive strength properties of PZT samples (poled in the case1, 2, 3)

Third, the effect of application of DC field at above a Curie point on the samples before poling : the degradation process of piezoelectric properties under fatigue loading and mechanical strength properties, compressive strength, compressive modulus and so on.

3BaTiO

- Piezoelectric coupling constant : k33 ( 압전체에서 전기기계에너지 변환특성 , 변화되지 못한 에너지가 어느 정도인지 나타내는 기준 )

- k33 : 분극방향과 전기기계결합변위의 방향이 평행

- k31 : 분극방향과 전기기계결합변위의 방향이 직각

Specimen preparation and Experimental Method

Fig.1 시험 압전체 시편

Fig.2 PZT 와 BTO 의 다양한 분극조건

The specimen : loaded to failure at cross-head speed of 3.5mm/min in static compression test

PZT Curie point(330℃), BTO Curie point(128℃)

Fatigue tests : conducted under axial cyclic compression at a 30Hz by an electrohydraulic fatigue testing machine

The stress ratio R : fixed (constant value of 10)

Comparison of Fatigue Properties for PZT and BTO

Fig.3 Fatigue S-N diagram

- Aging, prior treatment, re-poling 제외된 실험- 최대 cyclic stress 와 fatigue life 의 관계- PZT 가 BTO 보다 fatigue performance 가 나음을 보임- 즉 , PZT 가 반복응력에 강함을 뜻함

Electrical Properties and Mechanical Performance of PZT

Fig.4 DC 전압 분극의 fatigue 특성

- 높은 전압의 분극에서 fatigue resistance 에 대하여 약간 더 나은 수명 특성을 보임

Fig.5 fatigue cycles 증가에 대한 K33 의변화

- 분극후 aging 처리한 샘플이 K 값 감쇄치가줄어들었으며 , 분극 후 aging 처리후

재분극한 샘플이 현격한 K 값 감쇄를 보였다 .

Electrical Properties and Mechanical Performance of PZT

Fig.6 K 값의 비교 Fig.7 Strength 비교 그림 6 과 그림 7 을 보면 재분극한 샘플이 가장 좋은 특성을 보임

Curie point 이하에서 Aging 처리를 통하여 공간전하 효과에 의하여 이러한 특성들이 나타남

공전전하 효과

분극된 세라믹에 aging 과정동안 internal bias field 가 분극 field 방향으로 생성되며 잔여분극은 공간전하에 의해 안정화됨

재분극에 의해 공간전하와 내부바이어스 전계가 증가함

공간전하안정화 효과는 electrical, stress depolarization 에 중요한 역할

공간전하 : mechanical, strength performance and fatigue resistance 등을 개선해 준다 .

Electrical Properties and Mechanical Performance of BaTiO3

- Fig.9 compressive strength properties 측정

(a) 분극방향에 평행 , (b) 분극방향에 직각

Strain gauges : compressive modulus, strength 측정

- Fig.14 잔여분극에 의해 발생되는 잔여 인장응력(tensile stress) 의 방향

Electrical Properties and Mechanical Performance of BaTiO3

Fig.11 fatigue cycles 의 증가에 대한 K33 값의 변화

Fig.10 K33 에 대한 전처리 공정의 효과

Prior treatment : 분극 전에 Curie point 이상에서 DC 전계 인가

전처리 후 분극 : 그냥 분극보다 K33 가 크며 , K33 감쇄율이 감소

Electrical Properties and Mechanical Performance of BaTiO3

전처리 후 분극 : mechanical strength properties 개선

Compressive strength, modulus : 잔여 인장응력이 분극방향의 평행 및 반대일 때 fracture strength 가 증가하기 때문에 분극 방향의 평행인 샘플이 직각인

것보다 우수한 성질을 띰

왼쪽 그림에서 non-poled 샘플보다 poled 샘플의 compressive modulus 가 적은 이유 : poled 샘플에서 intergranular fracture 가 주로 발견 , grain boundary

가 경사를 이루기 쉬움

Conclusion

This paper : Mechanical, electrical properties of piezoelectric ceramics on the effects of poling conditions (PZT, )

Conclusion;1. 압전상수 , 기계피로특성에 대한 분극에서 인가전압치의 영향 :

인가전압이 증가함으로써 피로저항 (fatigue resistance) 가 증가2. Re-poling via. Aging treatment after poling 의 샘플에서 전기적

감쇄나 기계적 동작이 가장 우수함 : 이 현상은 공간전하 안정화 효과에 의해서 설명 (PZT)

3. 샘플에서 분극처리전에 큐리온도이상에서 DC 전계 인가한 샘플이 전기 , 기계적 특성이 우수하였음 . 이 전처리공정으로 전기기계결합계수가 상승하였으며 , fatigue loading 하에서 압전특성감쇄가 억제하였고 기계적 강도특성 , 압축강도 , 압축률 등의 특성이 개선되었음

3BaTiO

3BaTiO