Comportamento di polarizzazione e piegatura di multistrati piezoelettrici a base di ceramica O3 (Ti, Sn)

  introduzione

  Solitamente, gli attuatori piezoelettrici di piegatura sono progettati come unimorfo con uno strato attivo piezoelettrico o un bimorfo con due strati attivi piezoelettrici, che sono attuatori di flessione FGM sono fatti di ceramica monolitica con un gradiente unidimensionale della composizione chimica. Il processo di polarizzazione trasforma il gradiente chimico in un gradiente del coefficiente piezoelettrico d31. unito meccanicamente da uno strato di colla.

  Qui, gli attuatori sono stati preparati sulla base di BaTi1xSnxO3

  D'altra parte, negli ultimi anni sono stati prodotti attuatori monolitici in ceramica per la piegatura. Questi attuatori sono basati su materiali a gradiente funzionale (FGM) con un gradiente unidimensionale dell'attività piezoelettrica. Rispetto al convenzionale uni- e bimorfo, gli attuatori di flessione basati su FGM presentano alcuni vantaggi. In primo luogo, a causa della loro preparazione relativamente semplice possono ridurre i costi di produzione. In secondo luogo, è possibile superare i problemi connessi con lo strato incollato come peeling o cracking. In terzo luogo, il gradiente uniforme dell'attività piezoelettrica può ridurre gli stress meccanici interni ed estendere la durata e migliorare l'affidabilità dei materiali piezoelettrici di piegatura.2 (BTS) con diverse quantità di stagno (0,0754x40,15). Le proprietà piezoelettriche hanno un massimo in un contenuto di stagno di 7,5 moli% e diminuiscono fortemente con l'aumento della quantità di stagno. Altrimenti, il coefficiente dielettrico e33 aumenta con l'aumentare del contenuto di stagno.

  preparazione del campione

Le ceramiche BaTi1 xSixO3 (0,0754x40,15) sono state prodotte con la tecnica classica a ossido misto. La sinterizzazione è stata eseguita a 1400 ° C per 1 ora con una velocità di riscaldamento e raffreddamento di 10 K min 1 per ottenere ceramiche a grana grossa con una granulometria media di circa 80 mm.

  Strutture multistrato monolitiche con un gradiente del contenuto di stagno sono state preparate mediante pressatura successiva della polvere corrispondente. Consistono di due, tre e quattro strati e sono chiamati rispettivamente nel seguente bimorfo, trimorfo e 4-morfo. La composizione chimica e la con fi gurazione degli strati sono mostrate nella Tabella 1. Gli strati sono denominati con BTSx, dove x è la quantità di stagno in moli%.

  Durante la sinterizzazione i campioni monolitici si piegano a causa di entrambe le parti e vengono eseguiti separatamente. Quindi, per esempio con N layer abbiamo ottenuto un sistema di N equazioni. Inoltre, possiamo ricavare l'anello vergine P (E) del sistema multistrato utilizzando la condizione di diversi coefficienti di dilatazione termica degli strati ceramici BaTi1 xSixO3. In particolare, è stato ottenuto un forte effetto di flessione per la struttura bimorfo. Più alto è il numero di strati di quello inferiore alla curvatura del campione. La struttura 4-morph è quasi unbowed.

Inoltre, sono state preparate due strutture modello per la vari fi cazione della modellazione: un convenzionale dispositivo di piegatura incollato e un sistema collegato a filo, in cui gli strati erano collegati solo elettricamente. Il sistema di connessione a filo corrisponde idealmente alle ipotesi di modellazione, poiché nessuna sollecitazione meccanica è indotta da differenti sollecitazioni residue degli strati durante il processo di polarizzazione. L'influenza di questo stress può essere stimata con i campioni incollati. Le strutture modello erano costituite da lastre ceramiche con la stessa composizione chimica e con fi gurazione dei campioni monolitici. Tutti i campioni esaminati avevano le stesse dimensioni, lunghezza L = 15 mm, spessore H = 1,2 mm e larghezza W = 4 mm.

  L'anello vergine P (E) dello strato con la polarizzazione più bassa indotta o spontanea è stato misurato fino a un campo elettrico di circa 2 kV / mm. Abbiamo ipotizzato che il materiale fosse completamente polarizzato in questo campo elettrico e che la polarizzazione raggiungesse la saturazione. Poiché la polarizzazione negli altri strati non potrebbe essere superiore a quella dello strato con la polarizzazione di saturazione, gli strati rimanenti non dovrebbero essere stati completamente polarizzati. In Fig. 1, vengono mostrati gli anelli vergini dei singoli strati e la curva P (E) calcolata del bimorfo.

  Inoltre, è possibile calcolare la resistenza del campo elettrico in ogni strato in dipendenza dalla tensione applicata. Questo ci ha permesso di ricavare il circuito vergine del ceppo S3 parallelo al campo elettrico. Gli anelli vertebrali di singoli strati sono stati misurati fino al campo elettrico massimo in questo strato calcolato dall'Eq. (2).

  Qui, le idee di base della modellazione della polarizzazione, il ceppo efficace S3 del sistema è determinato dallo spostamento di ogni strato. Utilizzando l'Eq. (2) e la seguente condizione,

il comportamento delle strutture ferroelettriche a più strati è breve

  Lo scopo della modellazione è calcolare la curva P-E vergine di una struttura costituita da N strati con differenti proprietà ferroelettriche. Assumiamo che lo spostamento dielettrico D3 sia costante e che la conducibilità elettrica sia trascurata. Quindi, la polarizzazione P3 degli strati vicini è uguale abbiamo derivato la dipendenza del ceppo S3 sulla tensione applicata. Qui, H è lo spessore dell'intero sistema e h (i) lo spessore dello strato i. La figura 2 illustra il buon accordo di questa modellazione con risultati sperimentali.

  La dipendenza della polarizzazione dalla tensione applicata, rispettivamente sulla resistenza del campo elettrico E3 nello strato, dipende fortemente dalla quantità di stagno. Abbiamo usato anelli vergini misurati P (E) di singoli fogli ceramici con un determinato contenuto di stagno e abbiamo applicato i dati sperimentali di due diversi polinomi E (i) = f (P) per aumentare e diminuire il campo elettrico, rispettivamente. La modellazione

  3. Comportamento alla piegatura

  3.1.Modeling

  In generale, la deformazione di un dispositivo di piegatura dipende dalla differenza della dilatazione degli strati longitudinalmente. Entrambi, i coefficienti piezoelettrici e dielettrici degli strati influenzano la dilatazione. Innanzitutto, l'effetto piezoelettrico definisce la deformazione dello strato in base alla forza del campo elettrico. D'altra parte, il valore del campo elettrico in uno strato dipende dal coef fi ciente dielettrico. Abbiamo ipotizzato che le proprietà elastiche delle ceramiche BTS studiate non dipendano dalla quantità di stagno. Di conseguenza, la de flessione d alla fine di un attuatore fisso su un lato può essere calcolata dalla teoria di Marcus4.

Il campione è stato fi ssato su un lato, la deformazione flettente è stata misurata con un sensore di deplezione capacitivo all'estremità libera. È stata utilizzata una tensione sinusoidale di 137 Hz, molto inferiore alla frequenza di risonanza meccanica dell'attuatore di piegatura.

  Al campione è stata applicata una tensione massima di circa 100 V. La forza del campo elettrico può essere più elevata in alcuni strati, perché i coefficienti dielettrici sono piuttosto diversi. Nella Tabella 2 sono mostrati i valori del campo elettrico di ogni strato in un sistema a 4 morph, calcolato per una tensione applicata di circa 100 V. I valori sono stati ricavati dall'Eq. (4).

  È stata applicata una tensione bipolare all'attuatore e il valore medio della deformazione massima positiva e negativa è stato calcolato. In Fig. 3, si vede che la massima deformazione del campione polarizzato collegato al filo aumenta non linearmente con una tensione crescente superiore a 40 V / mm. I campioni che sono stati incollati prima della polarizzazione e campioni monolitici mostrano una dipendenza lineare.

   Il campo elettrico nello strato i dipende dalla tensione applicata Uappl e dai coefficienti dielettrici e33 di tutti gli strati nel modo seguente della deflessione massima media di > sulla tensione applicata.

  Altrimenti, la de fl essione di tutte le strutture dipende da tensioni più elevate non lineari sulla tensione applicata.

  Inoltre, i cicli di piegatura sono asimmetrici (Fig. 4).

  La deformazione aumenta fortemente nella direzione del campo di poling. Nella direzione opposta la deformazione flettente è molto più piccola. Questo effetto non lineare è più debole per i campioni monolitici e incollati che erano già.

  3.2.Risultati sperimentali

  Il processo di polarizzazione è stato ottimizzato per ottenere le migliori proprietà piezoelettriche dei singoli strati. Una tensione CC è stata applicata per 5 secondi. Tutti i campioni sono stati polarizzati a temperatura ambiente. Il sistema collegato a filo è stato utilizzato per determinare i coefficienti piezoelettrici e dielettrici collegati durante il poling.

Fig. 2. Anello vergine misurato e modellato S3 (E3) di un trimorfo monolitico.

Fig. 3. Valore medio della deformazione massima in dipendenza da una tensione bipolare applicata per sistemi trimorfo.

Fig.4. Anse di piegamento bipolare di attuatori monolitici e modello con una tensione applicata di circa 100 V.

Fig. 5. Deformazione delle strutture del modello e dei dispositivi di piegatura monolitici in dipendenza del numero di strati con una tensione applicata di 30 V.

  In Fig. 5, i risultati sperimentali sono stati confrontati con la modellazione. Sono stati utilizzati solo i dati misurati a piccole tensioni (30 V), dove gli effetti non lineari sono scomparsi. I dati del campione poled collegato erano nel migliore accordo con la modellazione. La flessione di campioni monolitici con più di due strati può anche essere descritta bene con l'approssimazione analitica. Supponiamo che le differenze del bimorfo monolitico siano associate alla forte flessione di questo campione mediante la sinterizzazione.

  È stata ottenuta una deformazione inferiore delle strutture, che sono state prima incollate prima di essere spostate. Ciò può essere dovuto a sollecitazioni meccaniche perpendicolari al campo elettrico indotte dal ceppo residuo dopo la polarizzazione. Suggeriamo che la sollecitazione meccanica causata dal serraggio abbia influenzato il grado di polarizzazione degli strati e quindi i coefficienti piezoelettrici e dielettrici. I campioni monolitici sono ceramiche con una transizione graduale della quantità di stagno tra gli strati.

  Lo stress meccanico dovrebbe essere molto più basso in tali dispositivi basati su FGM.2 Inoltre, l'influenza della colla durante la polarizzazione non è chiara.

  4.Summary

  Monolithic Ba (Ti, Sn) O3 ceramiche con un gradiente della quantità di stagno sono state preparate e polarizzate. Il Pr di polarizzazione rimanente dopo la polarizzazione era leggermente superiore rispetto alle strutture del modello. Abbiamo ipotizzato che ciò fosse dovuto alla transizione graduale della quantità di stagno tra strati vicini nelle ceramiche monolitiche. Abbiamo trovato una buona corrispondenza con i risultati della modellazione. Anche se la massima resistenza del campo elettrico negli strati con polarizzazione spontanea più elevata (BTS7.5) è molto più bassa durante la polarizzazione, gli strati hanno coefficienti piezoelettrici elevati. La deformazione degli attuatori di piegatura è piuttosto lineare a piccole tensioni di guida e può essere descritta con un'approssimazione analitica. Tensioni più elevate nella direzione di polarizzazione producono un aumento della de fl essione. Tuttavia, la de fl uzione dell'attuatore diminuisce al campo elettrico negativo. Nonostante piccole differenze nel Pr tra strutture monolitiche e modello, è stata trovata un'eccellente consistenza delle proprietà di piegatura. I dispositivi di piegatura monolitici basati su FGM non sono inferiori agli equivalenti attuatori incollati. In caso contrario, la deformazione flettente di circa 0,02 mm / V è molto inferiore rispetto ai dispositivi convenzionali con elettrodi centrali in cui gli strati sono polarizzati in direzione opposta (0,11 mm / V).