Journal of the Korean Ceramic Society Vol. 50, No. 1, pp. 82~86, 2013. -82- http://dx.doi.org/10.4191/kcers.2013.50.1.82 Evolution of Remnant State Variables and Linear Material Moduli in a PZT Cube under Compressive Stress at Room and High Temperatures Dae Won Ji and Sang-Joo Kim † Department of Mechanical and Information Engineering, University of Seoul, Seoul 130-743, Korea (Received November 7, 2012; Revised December 27, 2012; Accepted January 9, 2013) 상온과 고온에서 압축하중을 받는 PZT 에서의 잔류상태변수와 선형재료상수의 변화 지대원·김상주 † 서울시립대학교 기계정보공학과 (2012 년 11 월 7 일 접수 ; 2012 년 12 월 27 일 수정 ; 2013 년 1 월 9 일 채택) ABSTRACT A poled lead zirconate titanate (PZT) cube specimen is subjected to impulse-type compressive stress with increasing magnitude in parallel to the poling direction at four room and high temperatures. During the ferroelastic domain switching induced by the compressive stress, electric displacement in the poling direction and longitudinal and transverse strains are measured. Using the measured responses, linear material properties, namely, the piezoelectric and elastic compliance coefficients, are evaluated by a graphical method, and the effects of stress and temperature are analyzed. Finally, the dependency of the evaluated linear material properties on relative remnant polarization is analyzed and discussed. Key words : PZT, Ferroelastic switching, Remnant polarization, Linear moduli, Temperature 1. 서 론 압전세라믹 재료는 감지기나 작동기 같은 다양한 분야 에 사용되는 재료이다. 그러나 사용되는 동안 자체발열이 나 외부의 고온으로 인하여 감지기나 작동기의 온도가 과 격하게 증가하는 경우가 있다. 또 과도한 응력으로 도메 인 스위칭이 발생하여 내부구조가 변하고 그 결과 압전 시스템의 성능이 악화되는 경우가 있다. 이러한 내부구조 의 변화가 거시적으로는 비선형 거동으로 나타나며 따라 서 비선형 거동을 예측할 수 있는 모델링 연구가 중요하 다. 최근 스위칭으로 인한 압전재의 비선형 거동을 예측 할 수 있는 모델을 개발하는 연구가 활발히 이루어졌다. 1,2) 스위칭 할 수 있는 압전세라믹 재료의 비선형 거동에 대한 신뢰성 있는 모델을 개발하기 위하여 온도와 압축 응력의 크기에 따른 비선형 거동 특성에 대한 실험적 관 찰과 분석이 필요하다. 상온과 고온에서 압전재의 비선형 거동에 대한 실험 연구는 다양하게 이루어져 왔다. Webber et al. 3) 은 고온에서 압전세라믹이 큰 압축하중을 받을 때 의 비선형 거동을 관측하고 강유전 스위칭과의 관계를 분 석하였으며, Selten et al. 4) 은 상온에서 전기장에 의한 스 위칭이 발생할 때 선형재료상수의 변화를 관측하였다. Liu and Huber 5) 와 Zhou et al. 6) 은 압축하중과 전기장이 작용 하여 스위칭이 발생할 때 여러 가지 선형재료상수들의 변 화를 구하여 잔류분극(remnant polarization) 이나 잔류변형 률(remnant strain) 과 같은 잔류상태변수에 대한 의존성을 연구하였다. 그 외에도 최근 상온뿐만 아니라 고온에서 전기장과 압축응력을 받아 압전세라믹에서 스위칭이 발 생할 때 선형재료상수의 변화를 구하여 잔류 상태변수에 대한 의존성을 분석하는 연구가 활발히 이루어졌다. 7-10) 본 연구에서는 최근에 이루어진 연구의 연속선상에서 상온과 고온에서 충격파 형태의 압축 응력을 받아 스위 칭이 발생할 때 압전시편의 전기밀도와 변형률들을 계측 하고, 압전계수와 탄성유연계수의 변화를 구한 후 잔류상 태변수에 대한 의존성을 분석하였다. 2. 실험방법 한 변의 길이가 10 mm인 정사각형 단면에 전극처리가 † Corresponding author : Sang-Joo Kim E-mail : [email protected]Tel : +82-2-2210-2757 Fax : +82-2-2210-5575
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받는 PZT에서의 잔류상태변수와 선형재료상수의 변화을 사용하였다. 온도에 따른 변화는 그림에서 일관된 뚜 렷한 차이를 발견할 수 없었다.
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Journal of the Korean Ceramic Society
Vol. 50, No. 1, pp. 82~86, 2013.
−82−
http://dx.doi.org/10.4191/kcers.2013.50.1.82
Evolution of Remnant State Variables and Linear Material Moduli in a PZT Cube under
Compressive Stress at Room and High Temperatures
Dae Won Ji and Sang-Joo Kim†
Department of Mechanical and Information Engineering, University of Seoul, Seoul 130-743, Korea
(Received November 7, 2012; Revised December 27, 2012; Accepted January 9, 2013)
상온과 고온에서 압축하중을 받는 PZT에서의 잔류상태변수와
선형재료상수의 변화
지대원·김상주†
서울시립대학교 기계정보공학과
(2012년 11월 7일 접수 ; 2012년 12월 27일 수정 ; 2013년 1월 9일 채택)
ABSTRACT
A poled lead zirconate titanate (PZT) cube specimen is subjected to impulse-type compressive stress with increasing magnitude inparallel to the poling direction at four room and high temperatures. During the ferroelastic domain switching induced by thecompressive stress, electric displacement in the poling direction and longitudinal and transverse strains are measured. Using themeasured responses, linear material properties, namely, the piezoelectric and elastic compliance coefficients, are evaluated by agraphical method, and the effects of stress and temperature are analyzed. Finally, the dependency of the evaluated linear materialproperties on relative remnant polarization is analyzed and discussed.
Key words : PZT, Ferroelastic switching, Remnant polarization, Linear moduli, Temperature