Poling e comportamento de flexão de multicamadas piezoelétricas baseadas em cerâmica Ba (Ti, Sn) O3

  Introdução

  Normalmente, os actuadores de dobragem piezoeltricos s concebidos como uma unimorfia com uma camada activa piezoeltrica ou um bimorfo com duas camadas activas piezoeltricas, os quais s actuadores de flex da FGM feitos de cerica monolica com um gradiente unidimensional da composio quica. O processo de polimento transforma o gradiente químico em um gradiente do coeficiente piezoelétrico d31. mecanicamente unido por uma camada de cola.

  Aqui, os atuadores foram preparados com base em BaTi1xSnxO3

  Por outro lado, nos últimos anos foram produzidos atuadores monolíticos de flexão de cerâmica. Estes atuadores são baseados em Materiais Funcionalmente Gradientes (FGM) com um gradiente unidimensional da atividade piezelétrica. Em comparação com os atuadores uni- e bimorph convencionais, os atuadores de flexão baseados em FGM apresentam algumas vantagens. Primeiro, devido à sua preparação relativamente simples, eles podem reduzir o custo de produção. Em segundo lugar, é possível superar os problemas relacionados com a camada colada, como descolar ou rachar. Terceiro, o gradiente suave da atividade piezelétrica pode reduzir as tensões mecânicas internas e prolongar a vida útil e melhorar a confiabilidade de cerâmicas de dispositivos piezoelétricos de flexão (BTS) com diferentes quantidades de estanho (0,0754x40,15). As propriedades piezoelétricas têm um máximo a um teor de estanho de 7,5 mol% e diminuem fortemente com o aumento da quantidade de estanho. Caso contrário, o coeficiente dielétrico e33 aumenta com o aumento do teor de estanho.

Preparação de amostra

As cerâmicas BaTi1 xSixO3 (0,0754x40,15) foram produzidas pela técnica clássica de óxido misto. A sinterização foi realizada a 1400 oC por 1 h com taxa de aquecimento e resfriamento de 10 K min 1 para obter cerâmicas de granulação grossa com tamanho médio de grão de aproximadamente 80 mm.

  Estruturas multicamadas monolíticas com um gradiente do conteúdo de estanho foram preparadas por prensagem sucessiva do pó correspondente. Eles consistem em duas, três e quatro camadas e são chamados no seguinte bimorph, trimorph e 4-morph, respectivamente. A composição química e a con fi guração das camadas são mostradas na Tabela 1. As camadas são nomeadas com BTSx, onde x é a quantidade de estanho em% mol.

  Durante a sinterização, as amostras monolíticas dobradas devido a ambas as partes são realizadas separadamente. Assim, por exemplo, com N camadas, obtemos um sistema de N equações. Além disso, podemos derivar o loop virgem P (E) do sistema multicamadas usando a condição de diferentes coeficientes de expansão térmica das camadas cerâmicas BaTi1 xSixO3. Em particular, um forte efeito de flexão foi obtido para a estrutura bimorfa. Que maior o número de camadas que abaixam a curvatura da amostra. A estrutura de 4-morfos é quase intocada.

  Além disso, duas estruturas modelo foram preparadas para a vari fi cação da modelagem: um dispositivo de dobra colado convencional e um sistema conectado por fio, onde as camadas eram conectadas apenas eletricamente. O sistema conectado por fio corresponde idealmente às suposições de modelagem, porque nenhuma tensão mecânica é induzida por diferentes deformações remanescentes das camadas durante o processo de polimento. A influência desse estresse pode ser estimada com as amostras coladas. As estruturas do modelo eram compostas por folhas de cerâmica com a mesma composição química e configuração que as amostras monolíticas. Todas as amostras investigadas tinham as mesmas dimensões, comprimento L = 15 mm, espessura H = 1,2 mm e largura W = 4 mm.

  O loop virgem P (E) da camada com a menor polarização induzida ou espontânea foi medido até uma força de campo elétrica de cerca de 2 kV / mm. Assumimos que o material foi completamente polido neste campo elétrico e a polarização atingiu a saturação. Como a polarização nas outras camadas não poderia ser maior do que na camada com a polarização de saturação, as camadas restantes não deveriam ter sido completamente polidas. Na Fig. 1, as alças virgens das camadas individuais e a curva P (E) calculada do bimorfo são mostradas.

  Além disso, a força do campo elétrico em cada camada na dependência da tensão aplicada pode ser calculada. Isso nos permitiu derivar o loop virgem da linhagem S3 paralelamente ao campo elétrico. Laços virgens de camadas únicas foram medidos até o campo elétrico máximo nesta camada calculado pela Eq. (2).

  Aqui, as idéias básicas da modelagem da polingtion, a cepa efetiva S3 do sistema é determinada pelo deslocamento de cada camada. Usando a Eq. (2) e a seguinte condição,

Comportamento de estruturas multilayer ferroeléctricas são brevemente

O objetivo da modelagem é calcular a curva P-E virgem de uma estrutura composta por N camadas com diferentes propriedades ferroelétricas. Assumimos que o deslocamento dielétrico D3 é constante e a condutividade elétrica é negligenciada. Assim, a polarização P3 das camadas vizinhas é igual, nós derivamos a dependência da tensão S3 na tensão aplicada. Aqui, H é a espessura de todo o sistema eh (i) a espessura da camada i. A figura 2 ilustra a boa concordância dessa modelagem com resultados experimentais.

  A dependência da polarização na tensão aplicada, respectivamente na força de campo elétrico E3 na camada, depende fortemente da quantidade de estanho. Utilizamos as alças virgens medidas P (E) de folhas únicas cerâmicas com um determinado teor de estanho e ajustamos os dados experimentais por dois polinômios diferentes E (i) = f (P) para aumentar e diminuir o campo elétrico, respectivamente. A modelagem

  Comportamento 3.Bending

  3.1.Modelagem

  Em geral, a deflexão de um dispositivo de dobragem depende da diferença da dilatação das camadas no sentido do comprimento. Ambos, os coeficientes piezelétricos e dielétricos das camadas influenciam a dilatação. Primeiro, o efeito piezoelétrico define a deformação da camada, dependendo da força do campo elétrico. Por outro lado, o valor do campo elétrico em uma camada depende do coeficiente dielétrico. Assumimos que as propriedades elásticas das cerâmicas BTS investigadas não dependem da quantidade de estanho. Consequentemente, a deflexão d no final de um atuador fixo de um lado pode ser calculada pela teoria de Marcus4.

  A amostra foi fi xada de um lado, a deflexão de flexão foi medida com um sensor de desvio capacitivo na extremidade livre. Foi utilizada uma tensão sinusoidal de 137 Hz, muito inferior à frequência de ressonância mecânica do atuador de flexão.

  Uma voltagem máxima de cerca de 100 V foi aplicada à amostra. A resistência elétrica do campo pode ser maior em algumas camadas, porque os coeficientes dielétricos são bem diferentes. Na Tabela 2 são mostrados os valores do campo elétrico de cada camada em um sistema de 4-morfos, calculado para uma tensão aplicada de cerca de 100 V. Os valores foram derivados pela Eq. (4).

  Uma tensão bipolar foi aplicada ao atuador e o valor médio da deflexão máxima positiva e negativa foi calculado. Na Fig. 3, a deflexão máxima da amostra polida conectada ao fio é aumentada não linearmente com o aumento da tensão superior a 40 V / mm. As amostras que foram coladas antes da poling e amostras monolíticas mostram uma dependência linear.

   O campo elétrico na camada i depende da tensão aplicada Uappl e dos coeficientes dielétricos e33 de todas as camadas da seguinte maneira da deflexão média máxima na tensão aplicada.

  Caso contrário, a deflexão de todas as estruturas depende de tensões mais altas não linearmente na tensão aplicada.

  Além disso, as alças de flexão são assimétricas (Fig. 4).

  A deflexão aumenta fortemente na direção do campo de poling. Na direção oposta, a deflexão de flexão é muito menor. Este efeito não linear é mais fraco para amostras monolíticas e coladas que já eram.

3.2.resultados experimentais

  O processo de polimento foi otimizado para obter as melhores propriedades piezelétricas das camadas individuais. Uma tensão CC foi aplicada por 5 segundos. Todas as amostras foram polidas à temperatura ambiente. O sistema de fio conectado foi usado para determinar os coeficientes piezelétricos e dielétricos conectados durante o poling.

Fig. 2. Laço virgem S3 (E3) medido e modelado de um trimorfo monolítico.

Fig. 3. Valor médio da deflexão máxima na dependência de uma tensão bipolar aplicada para sistemas trimórficos.

Fig.4. Encaixes de flexão bipolares de atuadores monolíticos e modelo a uma tensão aplicada de cerca de 100 V.

Fig. 5. Des fl exão de estruturas modelo e dispositivos de flexão monolíticos na dependência do número de camadas a uma tensão aplicada de 30 V.

  Na Figura 5, os resultados experimentais foram comparados com a modelagem. Apenas os dados medidos em pequenas tensões (30 V) foram utilizados, onde os efeitos não-lineares desapareceram. Os dados da amostra polida conectada por fio estavam na melhor concordância com a modelagem. A flexão de amostras monolíticas com mais de duas camadas também pode ser bem descrita com a aproximação analítica. Supomos que as diferenças do bimorfo monolítico estão associadas à forte curvatura desta amostra pela sinterização.

  Uma deflexão mais baixa das estruturas foi obtida, as quais foram coladas antes de serem polidas. Isso pode ser devido a tensões mecânicas perpendiculares ao campo elétrico induzido pela tensão remanescente após o poling. Nós sugerimos que o estresse mecânico causado pelo clampeamento influenciou o grau de polimento das camadas e, portanto, os coeficientes piezelétricos e dielétricos. As amostras monolíticas são cerâmicas com uma transição suave da quantidade de estanho entre camadas.

  O estresse mecânico deve ser muito menor em tais dispositivos baseados em FGM.2 Além disso, a influência da cola durante o polimento não é clara.

  4. resumo

  Cerâmicas monolíticas de Ba (Ti, Sn) O3 com um gradiente da quantidade de estanho foram preparadas e polidas. A polarização remanescente Pr após poling foi ligeiramente maior que nas estruturas do modelo. Assumimos que isso se deveu à transição suave da quantidade de estanho entre camadas vizinhas nas cerâmicas monolíticas. Encontramos uma boa correspondência com os resultados da modelagem. Embora a força máxima do campo elétrico em camadas com maior polarização espontânea (BTS7.5) seja muito menor durante a poling, as camadas têm altos coeficientes piezelétricos. A des fl exão dos atuadores de flexão é bastante linear em tensões de acionamento pequenas e pode ser descrita com uma aproximação analítica. Tensões mais altas na direção do poling produzem um aumento da deflexão. No entanto, a deflexão do atuador diminui no campo elétrico negativo. Apesar das pequenas diferenças em Pr entre estruturas monolíticas e de modelo, foi encontrada uma excelente consistência das propriedades de flexão. Dispositivos de flexão monolíticos baseados em FGM não são inferiores a atuadores colados comparáveis. Caso contrário, a deflexão de flexão de cerca de 0,02 mm / V é muito menor do que os dispositivos convencionais com eletrodos médios, onde as camadas são polidas na direção oposta (0,11 mm / V).