Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6869

Experimental Investigation of Non-linear Constitutive Behavior of PZT Piezoceramics

Dayu Zhou

Abstract
The uni-axial non-linear large signal behavior of PIC 151 soft PZT ceramics was experimentally investigated under a pure electric field, a pure compressive stress and combined electromechanical loading conditions, respectively.

Polarisation and strain vs. E field hysteresis loops were observed under a pure cyclic electric field load. The corresponding strain vs. polarisation (S – P) curves also exhibited a significant hysteresis. The material response was found to depend on the loading rate and amplitude of the applied E field. A higher loading rate resulted in a smaller coercive field. Ageing effects caused the remnant polarisation and strain to decrease with time after removing the E field load.

As subjected to a pure compressive stress load, the material exhibited non-linear stress-strain behavior. In addition, a non-linear depolarisation curve was observed for the pre-poled specimen. Permanent changes of polarisation and strain induced by the mechanical load could be brought back to their initial values by a subsequent application of an electric field to repolarise the material. Loading rate dependence was also found in the non-linear stress - strain behavior.

When being subjected to a constant load, this material exhibited significant time-dependent effects. Polarisation and strain exhibited creep-like behavior with the passage of the external load hold time. Most pronounced time-dependent effects were observed as the load was close to the coercive field or the coercive stress.

Polarisation and strain versus electric field hysteresis loops were measured under various levels of a preload compressive stress. It turned out that the superimposed compression load reduced the remnant polarisation, decreased the coercive field and also had a significant impact on the dielectric and piezoelectric properties.

High field dielectric permittivity and piezoelectric coefficients were found to be enhanced by the compressive preload within a small range. The improved performance was accompanied by an unfavorable larger hysteresis, which was attributed to larger extrinsic contribution due to more non-180° domain switching induced by the prestress.

The effects of a bias electric field on the non-linear stress – strain and stress – depolarisation response were also studied. The non-linear curves were effectively closed upon application of an electric field parallel to the pre-poling direction. Larger stresses were needed to initiate and forward the ferroelastic domain switching. The inverse of this trend occurred when the specimen was subjected to a bias electric field anti-parallel to the pre-poling direction.

Experimentelle Untersuchung des nichtlinearen konstitutiven Verhaltens von PZT Piezokeramiken

Zusammenfassung
Das uniaxiale nichtlineare Großsignalverhalten der weichen PZT Keramik PIC 151 wurde unter Belastung mit einem elektrischen Feld, unter Druckspannungsbelastung und unter kombinierter elektromechanischer Belastung experimentell untersucht.

Unter zyklischer Belastung mit einem elektrischen Feld wurden bei der Polarisation und der Dehnung in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke Hystereseschleifen beobachtet. Ebenso trat bei der Dehnung in Abhängigkeit von der Polarisation (S – P) eine deutliche Hysterese auf. Es hat sich herausgestellt, dass das Materialverhalten sowohl von der Belastungsgeschwindigkeit als auch von der Amplitude des elektrischen Feldes abhängt. Eine höhere Belastungsgeschwindigkeit führte zu einer kleineren Koerzitivfeldstärke. Alterungseffekte führten mit der Zeit zu einer Abnahme der remanenten Polarisation und der Dehnung nach der Belastung mit einem elektrischen Feld.

Unter reiner Druckspannungsbelastung zeigte das Material ein nichtlineares Spannungs-Dehnungsverhalten. Außerdem wurde bei vorpolarisierten Proben eine nichtlineare Depolarisationskurve beobachtet. Permanente Änderungen in der Polarisation und Dehnung, die durch die mechanische Belastung verursacht wurden, konnten durch ein nachfolgendes Anlegen eines elektrischen Feldes, mit dem das Material wieder polarisiert wurde, rückgängig gemacht werden. Beim nichtlinearen Spannungs-Dehnungverhalten stellte sich auch eine Abhängigkeit von der Belastungsgeschwindigkeit heraus.

War das Material einer konstanten Belastung unterworfen, traten zeitabhängige Effekte deutlich in Erscheinung. Solange die äußere Belastung aufrechterhalten war, trat bei der Polarisation und der Dehnung ein Kriechverhalten auf. Am ausgeprägtesten waren diese zeitabhängigen Effekte bei einer Belastung nahe der Koerzitivfeldstärke und der Koerzitivspannung.

Für unterschiedliche Druckvorspannungen wurden Hystereseschleifen für die Polarisation und die Dehnung in Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke gemessen. Es stellte sich heraus, dass die überlagerte Druckbelastung sowohl die remanente Polarisation als auch die Koerzitivfeldstärke verminderte und einen deutlichen Einfluss auf die dielektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften des Materials ausübte.

Es wurde festgestellt, dass bei hohen Feldstärken die dielektrische Permittivität und die piezoelektrischen Koeffizienten durch die Druckvorspannung in einem kleinen Bereich erhöht werden. Diese vorteilhaften Eigenschaften waren allerdings begleitet von unerwünscht großen Hysteresen, die einem größeren extrinsischen Beitrag von nicht 180° Umklappprozessen der Domänen aufgrund der Vorspannung zugeschrieben wurden.

Der Einfluss einer anliegenden konstanten elektrischen Feldstärke auf das nichtlineare Spannungs-Dehnungsverhalten bzw. Spannungs-Depolarisationsveralten wurde ebenso untersucht. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes in Richtung der Vorpolarisation konnten die nichtlinearen Kurven praktisch geschlossen werden. Größere Spannungen waren notwendig, um das ferroelastische Umklappen der Domänen auszulösen und voranzutreiben. Das umgekehrte Verhalten trat in Erscheinung, wenn an die Probe eine ansteigende elektrische Feldstärke entgegen zur Vorpolarisation angelegt wurde.

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