Poling en buiggedrag van piëzo-elektrische multilayers op basis van Ba ​​(Ti, Sn) O3-keramiek

  Invoering

  Meestal zijn piëzo-elektrische buigactoren ontworpen als een unimorf met een piëzo-elektrische actieve laag of een bimorf met twee piëzo-elektrische actieve lagen, die FGM-buigactuators zijn gemaakt van monolithische keramiek met een eendimensionale gradiënt van de chemische samenstelling. Het polingsproces transformeert de chemische gradiënt in een gradiënt van de piëzo-elektrische coëfficiënt d31. mechanisch verbonden door een lijmlaag.

  Hier werden actuatoren gemaakt op basis van BaTi1xSnxO3

  Aan de andere kant werden in de laatste jaren monolithische keramische buigactuatoren geproduceerd. Deze actuators zijn gebaseerd op Functional Gradient Materials (FGM) met een eendimensionale gradiënt van de piëzo-elektrische activiteit. Vergeleken met conventionele uni- en bimorf hebben op FGM gebaseerde buigactoren enkele voordelen. Ten eerste kunnen ze vanwege hun relatief eenvoudige voorbereiding de productiekosten verlagen. Ten tweede is het mogelijk om de problemen in verband met de gelijmde laag te overwinnen, zoals afpellen of barsten. Ten derde kan de vloeiende gradiënt van piëzo-elektrische activiteit inwendige mechanische spanningen verminderen en de levensduur verlengen en de betrouwbaarheid van piëzo-elektrische buiginrichtingen 2 (BTS) keramiek met verschillende hoeveelheden tin (0,0754x40,15) verbeteren. De piëzo-elektrische eigenschappen hebben een maximum bij een tingehalte van 7,5 mol% en nemen sterk af bij toenemende hoeveelheid tin. Anders neemt de diëlektrische coëfficiënt e33 toe met toenemend tingehalte.

  Monster voorbereiding

BaTi1 xSixO3-keramiek (0,0754x40,15) werd geproduceerd met behulp van klassieke gemengde oxidetechniek. Het sinteren werd uitgevoerd bij 1400 ° C gedurende 1 uur met een verwarmings- en koelsnelheid van 10 Kmin 1 om grofkorrelige keramische materialen te verkrijgen met een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 80 mm.

  Monolithische meerlagige structuren met een gradiënt van het tingehalte werden bereid door opeenvolgend persen van het overeenkomstige poeder. Ze bestaan ​​uit twee, drie en vier lagen en worden respectievelijk genoemd in de volgende bimorf, trimorf en 4-morph. De chemische samenstelling en configuratie van de lagen worden getoond in Tabel 1. De lagen worden genoemd met BTSx, waarbij x de hoeveelheid tin in mol% is.

Tijdens het sinteren worden de monolithische monsters gebogen als gevolg van beide delen afzonderlijk uitgevoerd. Zo hebben we bijvoorbeeld met N-lagen een systeem van N-vergelijkingen. Verder kunnen we de maagdelijke lus P (E) van het meerlagige systeem afleiden met behulp van de voorwaarde verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van BaTi1 xSixO3 keramische lagen. In het bijzonder werd een sterk buigeffect voor de bimorfe structuur verkregen. Dan hoger het aantal lagen dan de kromming van het monster verlagen. De 4-morf structuur is bijna onontdekt.

  Daarnaast werden twee modelstructuren voorbereid voor de variabiliteit van de modellering: een conventionele gelijmde buiginrichting en een met draad verbonden systeem, waarbij de lagen alleen elektrisch waren verbonden. Het met draad verbonden systeem komt idealiter overeen met aannames van modellen, omdat er geen mechanische spanning wordt geïnduceerd door verschillende remanente spanning van de lagen tijdens het polingsproces. De invloed van deze stress kan worden geschat met de gelijmde monsters. De modelstructuren waren gemaakt van keramische platen met dezelfde chemische samenstelling en con fi guratie als in de monolithische monsters. Alle onderzochte monsters hadden dezelfde afmetingen, lengte L = 15 mm, dikte H = 1,2 mm en breedte W = 4 mm.

  De maagdelijke lus P (E) van de laag met de laagste geïnduceerde of spontane polarisatie werd gemeten tot een elektrische veldsterkte van ongeveer 2 kV / mm. We veronderstelden dat het materiaal volledig gepolariseerd was op dit elektrische veld en de polarisatie verzadiging bereikte. Omdat de polarisatie in de andere lagen niet hoger kon zijn dan in de laag met de verzadigingspolarisatie, zouden de resterende lagen niet volledig gepoold moeten zijn. In figuur 1 worden de maagdelijke lussen van de enkele lagen en de berekende P (E) -curve van het bimorf weergegeven.

  Bovendien kan de elektrische veldsterkte in elke laag in afhankelijkheid van de aangelegde spanning worden berekend. Hierdoor konden we de maagdelijke lus van de stam S3 parallel aan het elektrische veld afleiden. Maagdelijke lussen van enkele lagen werden gemeten tot het maximale elektrische veld in deze laag, berekend met Vgl. (2).

  Hier, de basisideeën van de modellering van de polingtion, wordt de effectieve spanning S3 van het systeem bepaald door de verplaatsing van elke laag. Gebruik van Eq. (2) en de volgende voorwaarde,

gedrag van ferro-elektrische meerlaagse structuren zijn kortstondig

  Het doel van de modellering is om de maagdelijke P-E-curve te berekenen van een structuur bestaande uit N-lagen met verschillende ferro-elektrische eigenschappen. We veronderstelden dat de diëlektrische verplaatsing D3 constant is en de elektrische geleidbaarheid wordt verwaarloosd. Dus de polarisatie P3 van naburige lagen is gelijk, we hebben de afhankelijkheid van de spanning S3 op de aangelegde spanning afgeleid. Hier is H de dikte van het hele systeem en h (i) de dikte van laag i. Fig. 2 illustreert de goede overeenstemming van deze modellering met experimentele resultaten.

De afhankelijkheid van polarisatie op de aangelegde spanning, respectievelijk op de elektrische veldsterkte E3 in de laag, hangt sterk af van de hoeveelheid tin. We gebruikten gemeten maagdelijke lussen P (E) van enkele keramische platen met een bepaald tingehalte en bevestigden de experimentele gegevens door twee verschillende polynomen E (i) = f (P) voor respectievelijk het verhogen en verlagen van het elektrische veld. Het modelleren

  3. Buiggedrag

  3.1.Modeling

  In het algemeen hangt de afbuiging van een buiginrichting af van het verschil van de dilatatie van de lagen in de lengte. Zowel de piëzo-elektrische als diëlektrische coëfficiënten van de lagen beïnvloeden de dilatatie. Ten eerste definieert het piëzo-elektrische effect de spanning van de laag afhankelijk van de elektrische veldsterkte. Aan de andere kant hangt de waarde van het elektrische veld in een laag af van de diëlektrische coëfficiënt. We veronderstelden dat de elastische eigenschappen van de onderzochte BTS-keramiek niet afhankelijk zijn van de hoeveelheid tin. Dientengevolge kan de afname d aan het einde van een aan één zijde vastgezette actuator worden berekend door de theorie van Marcus4.

  Het monster werd aan één zijde gefixeerd, de buigingsdefltctie werd gemeten met een capacitieve afbuigingssensor aan het vrije einde. Een sinusvormige spanning van 137 Hz werd gebruikt, veel lager dan de mechanische resonantiefrequentie van de buigende actuator.

  Een maximale spanning van ongeveer 100 V werd op het monster aangebracht. De elektrische veldsterkte kan in sommige lagen hoger zijn, omdat de diëlektrische coëfficiënten nogal verschillen. In Tabel 2 worden de waarden van het elektrische veld van elke laag in een 4-morf systeem getoond, berekend voor een aangelegde spanning van ongeveer 100 V. De waarden zijn afgeleid met Vgl. (4).

  Er werd een bipolaire spanning op de actuator toegepast en de gemiddelde waarde van de positieve en negatieve maximale deflictie werd berekend. In Fig. 3 wordt gezien dat de maximale uittreding van het draadverbonden gepoolde monster niet-lineair toeneemt met toenemende spanning hoger dan 40 V / mm. Monsters die werden gelijmd vóór polen en monolithische monsters vertoonden een lineaire afhankelijkheid.

   Het elektrische veld in de laag i hangt af van de aangelegde spanning Uappl en de diëlektrische coëfficiënten e33 van alle lagen op de volgende wijze van de gemiddelde gemiddelde afbuiging op de aangelegde spanning.

  Anders hangt de uittreding van alle structuren bij hogere spanningen niet-lineair af van de aangelegde spanning.

  Bovendien zijn de buiglussen asymmetrisch (figuur 4).

  De afname neemt sterk toe in de richting van het polarisatieveld. In de tegenovergestelde richting is de buigingsdepring veel kleiner. Dit niet-lineaire effect is zwakker voor monolithische en gelijmde monsters die al waren.

  3.2.Experimentele resultaten

  Het polingsproces is geoptimaliseerd om de beste piëzo-elektrische eigenschappen van de afzonderlijke lagen te verkrijgen. Een DC-spanning werd gedurende 5 seconden aangelegd. Alle monsters werden op kamertemperatuur gepoold. Het met draad verbonden systeem werd gebruikt om de piëzo-elektrische en diëlektrische coëfficiënten te bepalen die tijdens het polen waren verbonden.

Fig. 2. Gemeten en gemodelleerde maagdelijke lus S3 (E3) van een monolithisch trimorf.

Fig. 3. Gemiddelde waarde van de maximale deflectie in afhankelijkheid van een toegepaste bipolaire spanning voor trimorfonsystemen.

Fig.4. Bipolaire buiglussen van monolithische en modelactuators bij een aangelegde spanning van ongeveer 100 V.

Fig. 5. Demontage van modelstructuren en monolithische buiginrichtingen in afhankelijkheid van het aantal lagen bij een aangelegde spanning van 30 V.

  In Fig. 5 werden de experimentele resultaten vergeleken met de modellering. Alleen gegevens gemeten bij kleine spanningen (30 V) werden gebruikt, waarbij de niet-lineaire effecten verdwenen. De gegevens van het met draad verbonden gepoolde monster waren in de beste overeenkomst met de modellering. Het buigen van monolithische monsters met meer dan twee lagen kan ook goed worden beschreven met de analytische benadering. We veronderstellen dat de verschillen van de monolithische bimorf verband houden met de sterke buiging van dit monster door het sinteren.

  Er werd een geringere deflectie van structuren verkregen, die eerst werden gelijmd voordat ze werden gepoold. Dit kan te wijten zijn aan mechanische spanningen loodrecht op het elektrische veld geïnduceerd door de remanente spanning na poling. We suggereren dat de mechanische spanning veroorzaakt door het klemmen invloed heeft gehad op de polarisatiegraad van de lagen en daarmee de piëzo-elektrische en diëlektrische coëfficiënten. De monolithische monsters zijn keramiek met een vloeiende overgang van de hoeveelheid tin tussen de lagen.

  De mechanische spanning moet veel lager zijn in dergelijke apparaten op basis van FGM.2 Bovendien is de invloed van de lijm tijdens het polen niet duidelijk.

  4.Summary

  Monolithische Ba (Ti, Sn) 03-keramiek met een gradiënt van de hoeveelheid tin werd bereid en gepoold. De remanente polarisatie Pr na poling was iets hoger dan in de modelstructuren. We namen aan dat dit het gevolg was van een soepele overgang van de hoeveelheid tin tussen naburige lagen in de monolithische keramiek. We vonden een goede overeenkomst met de resultaten van de modellering. Hoewel de maximale elektrische veldsterkte in lagen met hogere spontane polarisatie (BTS7.5) veel lager is tijdens polen, hebben de lagen hoge piezoelectische coëfficiënten. De afbuiging van de buigactuatoren is tamelijk lineair bij kleine aandrijfspanningen en kan worden beschreven met een analytische benadering. Hogere spanningen in de polarisatierichting produceren een toename van de deflectie. De vervorming van de actuator neemt echter af op het negatieve elektrische veld. Ondanks kleine verschillen in Pr tussen monolithische en modelstructuren, werd een uitstekende consistentie van de buigeigenschappen gevonden. Monolithische buiginrichtingen op basis van FGM zijn niet minderwaardig aan vergelijkbare gelijmde actuatoren. Anders is de buigingsde fl ectie van ongeveer 0,02 mm / V veel lager dan bij conventionele apparaten met middelste elektroden waarbij de lagen in tegenovergestelde richting (0,11 mm / V) worden gepoold.