Comportamiento de polarización y flexión de multicapas piezoeléctricas basadas en cerámicas Ba (Ti, Sn) O3

  Introducción

  Por lo general, los actuadores de flexión piezoeléctricos se diseñan como unimorfos con una capa activa piezoeléctrica o un bimorfo con dos capas activas piezoeléctricas, que son activadores de flexión por MGF, hechos de cerámicas monolíticas con un gradiente unidimensional de la composición química. El proceso de polo transforma el gradiente químico en un gradiente del coeficiente piezoeléctrico d31. Unida mecánicamente por una capa de pegamento.

  Aquí, los actuadores fueron preparados basados ​​en BaTi1xSnxO3

  Por otro lado, en los últimos años se produjeron accionadores de plegado cerámico monolítico. Estos actuadores se basan en materiales de gradiente funcional (MGF) con un gradiente unidimensional de la actividad piezoeléctrica. En comparación con las unidades convencionales y bimorfas, los actuadores de flexión basados ​​en MGF tienen algunas ventajas. Primero, debido a su preparación relativamente simple, pueden reducir los costos de producción. En segundo lugar, es posible superar los problemas relacionados con la capa encolada, como desprendimiento o agrietamiento. En tercer lugar, el gradiente suave de la actividad piezoeléctrica puede reducir las tensiones mecánicas internas y prolongar la vida útil y mejorar la confiabilidad de las cerámicas de dispositivos de flexión piezoeléctrica.2 (BTS) con diferentes cantidades de estaño (0.0754x40.15). Las propiedades piezoeléctricas tienen un máximo en un contenido de estaño de 7.5% en moles y disminuyen fuertemente con la cantidad creciente de estaño. De lo contrario, el coeficiente dieléctrico e33 aumenta al aumentar el contenido de estaño.

  preparación de la muestra

Las cerámicas BaTi1 xSixO3 (0.0754x40.15) se produjeron mediante la técnica clásica de óxido mixto. La sinterización se realizó a 1400 oC durante 1 h con una velocidad de calentamiento y enfriamiento de 10 K min 1 para obtener materiales cerámicos de grano grueso con un tamaño de grano promedio de aproximadamente 80 mm.

  Se prepararon estructuras de múltiples capas monolíticas con un gradiente del contenido de estaño presionando sucesivamente el polvo correspondiente. Consisten en dos, tres y cuatro capas y se denominan en el siguiente bimorfo, trimorfo y 4-morfo, respectivamente. La composición química y la configuración de las capas se muestran en la Tabla 1. Las capas se nombran con BTSx, donde x es la cantidad de estaño en% en moles.

  Durante la sinterización, las muestras monolíticas se doblan debido a que ambas partes se realizan por separado. Así, por ejemplo, con N capas tenemos un sistema de N ecuaciones. Además, podemos derivar el bucle virgen P (E) del sistema multicapa utilizando la condición de coeficientes de expansión térmica diferentes de las capas cerámicas BaTi1 xSixO3. En particular, se obtuvo un fuerte efecto de flexión para la estructura bimorfa. Que mayor sea el número de capas que menor la curvatura de la muestra. La estructura de 4-morph es casi no adherida.

  Además, se prepararon dos estructuras de modelo para la variación del modelado: un dispositivo de plegado encolado convencional y un sistema conectado por cable, donde las capas se conectaban solo eléctricamente. El sistema de conexión por cable se corresponde idealmente con las suposiciones de modelado, ya que no se induce ninguna tensión mecánica por el diferente esfuerzo remanente de las capas durante el proceso de pulido. La influencia de esta tensión se puede estimar con las muestras pegadas. Las estructuras del modelo estaban hechas de láminas de cerámica con la misma composición química y configuración que en las muestras monolíticas. Todas las muestras investigadas tenían las mismas dimensiones, longitud L = 15 mm, grosor H = 1.2 mm y ancho W = 4 mm.

El bucle virgen P (E) de la capa con la polarización inducida o espontánea más baja se midió hasta una intensidad de campo eléctrico de aproximadamente 2 kV / mm. Asumimos que el material estaba completamente polarizado en este campo eléctrico y la polarización alcanzó la saturación. Debido a que la polarización en las otras capas no podría ser más alta que en la capa con la polarización de saturación, las capas restantes no deberían haber sido completamente polarizadas. En la Fig. 1, se muestran los bucles vírgenes de las capas individuales y la curva P (E) calculada del bimorfo.

  Además, se puede calcular la intensidad del campo eléctrico en cada capa dependiendo de la tensión aplicada. Esto nos permitió derivar el bucle virgen de la cepa S3 paralelo al campo eléctrico. Los bucles vírgenes de capas individuales se midieron hasta el campo eléctrico máximo en esta capa calculado por la ec. (2).

  Aquí, las ideas básicas del modelado de la polingción, la tensión efectiva S3 del sistema está determinada por el desplazamiento de cada capa. Usando la ec. (2) y la siguiente condición,

El comportamiento de las estructuras de múltiples capas ferroeléctricas es breve.

  El objetivo del modelado es calcular la curva P-E virgen de una estructura que consta de N capas con diferentes propiedades ferroeléctricas. Suponemos que el desplazamiento dieléctrico D3 es constante y que la conductividad eléctrica se descuida. Por lo tanto, la polarización P3 de las capas vecinas es igual a la derivada de la dependencia de la tensión S3 en el voltaje aplicado. Aquí, H es el grosor de todo el sistema y h (i) el grosor de la capa i. La figura 2 ilustra la buena concordancia de este modelado con los resultados experimentales.

  La dependencia de la polarización en el voltaje aplicado, respectivamente en la intensidad de campo eléctrico E3 en la capa, depende en gran medida de la cantidad de estaño. Utilizamos bucles vírgenes medidos P (E) de láminas cerámicas simples con un cierto contenido de estaño y ajustamos los datos experimentales mediante dos polinomios diferentes E (i) = f (P) para aumentar y disminuir el campo eléctrico, respectivamente. El modelado

  Comportamiento 3.Bending

  3.1.Modelo

  En general, la deflexión de un dispositivo de flexión depende de la diferencia de la dilatación de las capas a lo largo. Tanto el coeficiente piezoeléctrico como el dieléctrico de las capas influyen en la dilatación. Primero, el efecto piezoeléctrico de fi ne la tensión de la capa dependiendo de la fuerza del campo eléctrico. Por otro lado, el valor del campo eléctrico en una capa depende del coeficiente dieléctrico. Suponemos que las propiedades elásticas de las cerámicas BTS investigadas no dependen de la cantidad de estaño. En consecuencia, la deflexión d al final de un actuador fijo de un lado puede calcularse mediante la teoría de Marcus4.

  La muestra se fijó en un lado, la deflexión por flexión se midió con un sensor de deflexión capacitivo en el extremo libre. Se utilizó un voltaje sinusoidal de 137 Hz, mucho más bajo que la frecuencia de resonancia mecánica del actuador de flexión.

  Se aplicó un voltaje máximo de aproximadamente 100 V a la muestra. La fuerza del campo eléctrico puede ser mayor en algunas capas, porque los coeficientes dieléctricos son bastante diferentes. En la Tabla 2 se muestran los valores del campo eléctrico de cada capa en un sistema de 4-morph, calculados para un voltaje aplicado de aproximadamente 100 V. Los valores se han derivado mediante la ecuación. (4).

Se aplicó una tensión bipolar al actuador y se calculó el valor promedio de la deflexión máxima positiva y negativa. En la Fig. 3, se observa que la deflexión máxima de la muestra poledeada conectada al cable aumenta de manera no lineal con un aumento de voltaje superior a 40 V / mm. Las muestras que se pegaron antes del pulido y las muestras monolíticas muestran una dependencia lineal.

   El campo eléctrico en la capa i depende de la tensión aplicada Uappl y de los coeficientes dieléctricos e33 de todas las capas de la siguiente manera de la > deflexión máxima promedio en la tensión aplicada.

  De lo contrario, la deflexión de todas las estructuras depende a voltajes más altos, no linealmente, del voltaje aplicado.

  Además, los bucles de flexión son asimétricos (Fig. 4).

  La deflexión aumenta fuertemente en la dirección del campo de polo. En la dirección opuesta, la deflexión de flexión es mucho más pequeña. Este efecto no lineal es más débil para las muestras monolíticas y encoladas que ya estaban.

  3.2. Resultados experimentales.

  El proceso de pulido se optimizó para obtener las mejores propiedades piezoeléctricas de las capas individuales. Se aplicó una tensión continua durante 5 segundos. Todas las muestras fueron pulidas a temperatura ambiente. El sistema de conexión por cable se usó para determinar los coeficientes piezoeléctricos y dieléctricos conectados durante el pulido.

Fig. 2. Lazo virgen S3 (E3) medido y modelado de un trimorfo monolítico.

Fig. 3. Valor promedio de la deflexión máxima en función de una tensión bipolar aplicada para sistemas trimorfos.

Fig.4. Bucles de flexión bipolares de actuadores monolíticos y modelos a un voltaje aplicado de aproximadamente 100 V.

Fig. 5. Desflexión de estructuras de modelo y dispositivos de flexión monolítica en función del número de capas a un voltaje aplicado de 30 V.

  En la Fig. 5, los resultados experimentales se compararon con el modelado. Solo se utilizaron los datos medidos a pequeños voltajes (30 V), donde los efectos no lineales desaparecieron. Los datos de la muestra polarizada conectada por cable estaban en el mejor acuerdo con el modelado. La flexión de muestras monolíticas con más de dos capas también se puede describir bien con la aproximación analítica. Suponemos que las diferencias del bimorfo monolítico están asociadas con la fuerte flexión de esta muestra por la sinterización.

  Se obtuvo una menor deflexión de las estructuras, que se pegaron por primera vez antes de ser pulidas. Esto puede deberse a tensiones mecánicas perpendiculares al campo eléctrico inducidas por la tensión remanente después del pulido. Sugerimos, que la tensión mecánica causada por la sujeción influyó en el grado de polo de las capas y, por lo tanto, en los coeficientes piezoeléctricos y dieléctricos. Las muestras monolíticas son cerámicas con una transición suave de la cantidad de estaño entre capas.

  La tensión mecánica debería ser mucho menor en dispositivos de este tipo basados ​​en la MGF.2 Además, la influencia de la cola mientras que el pulido no es clara.

  4.Resumen

  Se prepararon cerámicas monolíticas Ba (Ti, Sn) O3 con un gradiente de la cantidad de estaño y se polaron. La polarización remanente Pr después del pulido fue ligeramente más alta que en las estructuras del modelo. Suponemos que esto se debió a una transición suave de la cantidad de estaño entre las capas vecinas en las cerámicas monolíticas. Encontramos una buena correspondencia con los resultados del modelado. Aunque la fuerza máxima del campo eléctrico en capas con mayor polarización espontánea (BTS7.5) es mucho menor durante el poling, las capas tienen altos coeficientes piezoeléctricos. La deflexión de los actuadores de flexión es bastante lineal a pequeños voltajes de conducción y puede describirse con una aproximación analítica. Voltajes más altos en la dirección del polo producen un aumento de la deflexión. Sin embargo, la deflexión del actuador disminuye en el campo eléctrico negativo. A pesar de las pequeñas diferencias en Pr entre las estructuras monolíticas y las del modelo, se encontró una excelente consistencia de las propiedades de flexión. Los dispositivos de flexión monolítica basados ​​en la MGF no son inferiores a los actuadores pegados comparables. De lo contrario, la deflexión de flexión de aproximadamente 0,02 mm / V es mucho más baja que los dispositivos convencionales con electrodos intermedios donde las capas se polen en dirección opuesta (0,11 mm / V).