Polaryzacja i zginanie wielowarstwowych piezoelektrycznych w oparciu o ceramikę Ba (Ti, Sn) O3

  Wprowadzenie

  Zwykle piezoelektryczne urządzenia wykonawcze do gięcia są zaprojektowane jako nieimpregnujące z jedną piezoelektryczną warstwą aktywną lub bimorficzną z dwiema piezoelektrycznymi warstwami aktywnymi, które są siłownikami do gięcia FGM są wykonane z monolitycznej ceramiki z jednowymiarowym gradientem składu chemicznego. Proces polaryzacji przekształca gradient chemiczny w gradient współczynnika piezoelektrycznego d31. mechanicznie połączony warstwą kleju.

  Tutaj siłowniki zostały przygotowane w oparciu o BaTi1xSnxO3

  Z drugiej strony w ostatnich latach wyprodukowano monolityczne ceramiczne siłowniki gnące. Te siłowniki są oparte na funkcjonalnie gradientowych materiałach (FGM) z jednowymiarowym gradientem aktywności piezoelektrycznej. W porównaniu do konwencjonalnych siłowników do gięcia na bazie uni- i bimorfu, siłowniki gnące oparte na FGM mają pewne zalety. Po pierwsze, ze względu na ich względnie proste przygotowanie mogą obniżyć koszty produkcji. Po drugie, możliwe jest przezwyciężenie problemów związanych z warstwą klejoną, takich jak oderwanie lub pękanie. Po trzecie, płynny gradient aktywności piezoelektrycznej może zmniejszyć wewnętrzne naprężenia mechaniczne i przedłużyć żywotność oraz poprawić niezawodność piezoelektrycznych urządzeń gnących.2 (BTS) z różną ilością cyny (0,0754 x 40,15). Właściwości piezoelektryczne mają maksimum przy zawartości cyny 7,5% molowych i silnie spadają wraz ze wzrostem ilości cyny. W przeciwnym razie współczynnik dielektryczny e33 wzrasta wraz ze wzrostem zawartości cyny.

  przygotowanie próbki

Ceramika BaTi1 xSixO3 (0,0754 x 40,15) została wytworzona klasyczną techniką mieszanego tlenku. Spiekanie prowadzono w temperaturze 1400 ° C przez 1 godzinę z szybkością ogrzewania i chłodzenia 10 Kmin 1 w celu uzyskania gruboziarnistych materiałów ceramicznych o średnim rozmiarze ziarna około 80 mm.

  Monolityczne struktury wielowarstwowe z gradientem zawartości cyny przygotowano przez kolejne prasowanie odpowiedniego proszku. Składają się z dwóch, trzech i czterech warstw i nazywa się odpowiednio bimorfem, trimorfem i 4-morph. Skład chemiczny i konfigurację warstw przedstawiono w tabeli 1. Warstwy nazwano za pomocą BTSx, gdzie x oznacza ilość cyny w% mol.

Podczas spiekania monolityczne próbki zginane ze względu na obie te części są przeprowadzane oddzielnie. Tak więc, na przykład z warstwami N otrzymaliśmy układ równań N. Co więcej, możemy wyprowadzić pierwotną pętlę P (E) układu wielowarstwowego przy użyciu różnych współczynników rozszerzalności cieplnej warstw ceramicznych BaTi1 xSixO3. W szczególności uzyskano silny efekt zginania dla struktury bimorficznej. Niż większa liczba warstw niż niższa krzywizna próbki. Struktura 4-morph jest prawie bezładna.

  Dodatkowo przygotowano dwie modelowe struktury do odmiany modelowania: konwencjonalne klejone urządzenie do zginania oraz system połączony drutem, w którym warstwy były połączone tylko elektrycznie. Układ połączony przewodowo idealnie odpowiada założeniom modelowania, ponieważ żadne naprężenia mechaniczne nie są indukowane przez różne remanentne odkształcenie warstw podczas procesu polaryzacji. Wpływ tego naprężenia można oszacować za pomocą sklejonych próbek. Modelowe struktury składały się z płytek ceramicznych o takiej samej składzie chemicznym i konfiguracji, jak w próbkach monolitycznych. Wszystkie badane próbki miały te same wymiary, długość L = 15 mm, grubość H = 1,2 mm i szerokość W = 4 mm.

  Dziewicza pętla P (E) warstwy o najniższej wzbudzonej lub spontanicznej polaryzacji była mierzona do wytrzymałości pola elektrycznego około 2 kV / mm. Założono, że materiał był całkowicie polowany w tym polu elektrycznym, a polaryzacja osiągnęła nasycenie. Ponieważ polaryzacja w innych warstwach nie może być wyższa niż w warstwie z polaryzacją nasycenia, pozostałe warstwy nie powinny być całkowicie polaryzowane. Na ryc. 1 pokazano dziewicze pętle pojedynczych warstw i obliczoną krzywą P (E) bimorfu.

  Ponadto można obliczyć siłę pola elektrycznego w każdej warstwie w zależności od przyłożonego napięcia. To pozwoliło nam wyprowadzić pierwotną pętlę szczepu S3 równolegle do pola elektrycznego. Dziewicze pętle pojedynczych warstw mierzono do maksymalnego pola elektrycznego w tej warstwie obliczonego przez równ. (2).

  Tutaj podstawowe idee modelowania polingtionu, efektywne odkształcenie S3 układu są określane przez przemieszczenie każdej warstwy. Używanie Eq. (2) i następujący warunek,

Zachowanie ferroelektrycznych struktur wielowarstwowych jest krótkie

  Celem modelowania jest obliczenie pierwotnej krzywej P-E struktury składającej się z warstw N o różnych właściwościach ferroelektrycznych. Założono, że przesunięcie dielektryczne D3 jest stałe, a przewodność elektryczna jest zaniedbana. Tak więc, polaryzacja P3 sąsiednich warstw jest równa, uzyskaliśmy zależność odkształcenia S3 od przyłożonego napięcia. Tutaj H jest grubością całego układu i h (i) grubością warstwy i. Ryc. 2 ilustruje dobrą zgodność tego modelowania z wynikami eksperymentalnymi.

Zależność polaryzacji od przyłożonego napięcia, odpowiednio od siły pola elektrycznego E3 w warstwie, silnie zależy od ilości cyny. Użyliśmy mierzonych pierwotnych pętli P (E) pojedynczych ceramicznych arkuszy z pewną zawartością cyny i wyposażyliśmy dane eksperymentalne w dwa różne wielomiany E (i) = f (P) odpowiednio dla zwiększenia i zmniejszenia pola elektrycznego. Modelowanie

  3. Zachowanie w czasie gry

  3.1.Modelowanie

  Ogólnie rzecz biorąc, de fl ekacja urządzenia gnącego zależy od różnicy rozszerzalności warstw podłużnie. Zarówno współczynniki piezoelektryczne, jak i dielektryczne warstw wpływają na dylatację. Po pierwsze, efekt piezoelektryczny określa odkształcenie warstwy w zależności od siły pola elektrycznego. Z drugiej strony, wartość pola elektrycznego w warstwie zależy od współczynnika dielektrycznego. Założono, że właściwości sprężyste badanej ceramiki BTS nie zależą od ilości cyny. W konsekwencji odchylenie d na końcu siłownika jednostronnego może być obliczone przez teorię Marcusa4.

  Próbka była unieruchomiona z jednej strony, odchylenie gięcia zmierzono za pomocą pojemnościowego czujnika de- flekcji na wolnym końcu. Zastosowano napięcie sinusoidalne o wartości 137 Hz, znacznie niższe niż mechaniczna częstotliwość rezonansowa siłownika gnącego.

  Do próbki dodano maksymalne napięcie około 100 V. Wytrzymałość pola elektrycznego może być większa w niektórych warstwach, ponieważ współczynniki dielektryczne są całkiem różne. W Tabeli 2 przedstawiono wartości pola elektrycznego każdej warstwy w systemie 4-morph, obliczone dla przyłożonego napięcia około 100 V. Wartości zostały uzyskane przez równanie. (4).

  Do siłownika przyłożono bipolarne napięcie i obliczono średnią wartość dodatniej i ujemnej wartości maksymalnej. Na ryc. 3, maksymalna de flacja badanej drutem próbki polaryzowanej zwiększa się nieliniowo przy wzrastającym napięciu wyższym niż 40 V / mm. Próbki, które zostały sklejone przed polowaniem i próbki monolityczne wykazują liniową zależność.

   Pole elektryczne w warstwie i zależy od przyłożonego napięcia Uappl i współczynników dielektrycznych e33 wszystkich warstw w następujący sposób> średniej maksymalnej wartości odchylenia od przyłożonego napięcia.

  W przeciwnym razie de fl ekcja wszystkich struktur zależy przy wyższych napięciach nieliniowo na przyłożonym napięciu.

  Co więcej, pętle zginania są asymetryczne (ryc. 4).

  Odbicie silnie rośnie w kierunku pola polowania. W przeciwnym kierunku odchylenie gięcia jest znacznie mniejsze. Ten nieliniowy efekt jest słabszy w przypadku próbek monolitycznych i klejonych, które już były.

  3.2.Dokładne wyniki

  Proces polowania został zoptymalizowany w celu uzyskania najlepszych właściwości piezoelektrycznych pojedynczych warstw. Napięcie prądu stałego zastosowano przez 5 sekund. Wszystkie próbki zostały wypuszczone w temperaturze pokojowej. System połączony drutem został użyty do określenia współczynników piezoelektrycznych i dielektrycznych połączonych podczas polowania.

Rys. 2. Mierzona i modelowana pierwotna pętla S3 (E3) monolitycznego trimorfu.

Rys. 3. Średnia wartość maksymalnego defleksu w zależności od zastosowanego napięcia bipolarnego dla układów trimorficznych.

Ryc.4. Bipolarne pętle zginania monolitycznych i modelowych siłowników przy przyłożonym napięciu około 100 V.

Rys. 5. Odwzorowanie konstrukcji modelowych i monolitycznych urządzeń gnących w zależności od liczby warstw przy przyłożonym napięciu 30 V.

  Na rys. 5 wyniki eksperymentów zostały porównane z modelowaniem. Użyto tylko danych mierzonych przy małych napięciach (30 V), gdzie zniknęły efekty nieliniowe. Dane próbki z podłączonym przewodem były najlepiej zgodne z modelowaniem. Gięcie monolitycznych próbek o więcej niż dwóch warstwach można również dobrze opisać za pomocą aproksymacji analitycznej. Przypuszczamy, że różnice monolitycznego bimorfu są związane z silnym zginaniem tej próbki przez spiekanie.

  Uzyskano mniejszą de- flację struktur, które najpierw sklejono przed polakierowaniem. Może to być spowodowane naprężeniami mechanicznymi prostopadłymi do pola elektrycznego wywołanymi przez remanentny odkształcenie po polowaniu. Sugerujemy, że naprężenia mechaniczne spowodowane zaciskaniem wpłynęły na stopień polaryzacji warstw, a tym samym na współczynniki piezoelektryczne i dielektryczne. Monolityczne próbki to ceramika z płynnym przejściem ilości cyny między warstwami.

  Naprężenia mechaniczne powinny być znacznie niższe w takich urządzeniach w oparciu o FGM.2 Ponadto wpływ kleju podczas polaryzacji nie jest jasny.

  4. Streszczenie

  Monolityczne Ba (Ti, Sn) Ceramika O3 z gradientem ilości cyny została przygotowana i wypolerowana. Realna polaryzacja Pr po polowaniu była nieco wyższa niż w strukturach modelu. Założono, że było to spowodowane płynnym przejściem ilości cyny między sąsiednimi warstwami w monolitycznej ceramice. Znaleźliśmy dobrą zgodność z wynikami modelowania. Chociaż maksymalna wytrzymałość pola elektrycznego w warstwach o wyższej polaryzacji spontanicznej (BTS7.5) jest znacznie mniejsza podczas polerowania, warstwy mają wysokie współczynniki piezoelektryczne. Odkształcenie siłowników gnących przebiega dość liniowo przy małych napięciach napędowych i można je opisać za pomocą aproksymacji analitycznej. Wyższe napięcia w kierunku polaryzacji powodują wzrost de- flekcji. Jednak spadek siłownika zmniejsza się w ujemnym polu elektrycznym. Pomimo niewielkich różnic w Pr między strukturami monolitycznymi i modelowymi stwierdzono doskonałą zgodność właściwości gięcia. Monolityczne urządzenia do gięcia oparte na FGM nie ustępują porównywalnym siłownikom klejonym. W przeciwnym razie odchylenie gięcia o około 0,02 mm / V jest znacznie niższe niż w przypadku konwencjonalnych urządzeń z elektrodami środkowymi, gdzie warstwy są polaryzowane w przeciwnym kierunku (0,11 mm / V).