The structural, piezoelectric and ferroelectric properties of $(1-x)(Bi_{0.5}Na_{0.5})TiO_3$ x=0.00, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, and 0.10) ceramics were investigated. A gradual change in the crystal and microstructures with tile increase of $BaTiO_3$ (BT) concentration was observed. The $(Bi_{0.5}Na_{0.5})TiO_3$ (BNT) samples show unusual properties as ferroelectric relaxer materials. We observed a phase transition in BNT solid solutions with BT having normal ferroelectric phase transition. At room temperature, BNT presents a single phase without the morphotropic phase boundary (MPB). In the case of samples doped with $4\~8 mol\%$ BT, rhombohedral-tetragonal MPB was formed and the piezoelectric properties were improved.
Nb was doped to Pb-free $(Bi_{0.5}Na_{0.5})TiO_3$ (BNT) by a solid state mixing process to form $(Bi_{0.5}Na_{0.5})Ti_{1-x}Nb_xO_3\;(x=0{\sim}0.05)$ (BNTNb) and its doping effects on ferroelectric and piezoelctric properties of BNT were investigated. The BNTNb solid solutions were formed up to x=0.01 with no apparent second phases while grain sizes decreased. As x increased, coercive field ($E_c$) and mechanical quality factor ($Q_m$) decreased but piezoelectric constant ($d_{33}$) increased, which indicates Nb acts as a donor for BNT.
Studies on lead-free piezoelectrics have been attractive as means of meeting environmental requirements. We synthesized lead-free piezoelectric $(Bi_{1/2}Na_{1/2})TiO_3-Ba(Cu_{1/3}Nb_{2/3})O_3$ (BNT-BCN) ceramics, and their dielectric, piezoelectric, and strain behavior were characterized. As BCN with a tetragonal phase was incorporated into the rhombohedral BNT lattice, the lattice constant increased. A small amount of BCN increased the density and dielectric constant forming the complete solid solution with BNT. However, BCN above 10 mol% was precipitated into a separate phase, and which was detected with XRD. In addition, EDX measurement revealed that Cu in BCN was not distributed homogeneously but was accumulated in a certain area. A lower density with a large amount of BCN was attributed to the nonsinterable property of BCN with large tetragonaliy. The dielectric constant vs the temperature change and the strain vs the electric field indicated that the ferroelectric property of BNT was diminished and paraelectric behavior was enhanced with the BCN addition. BNT-7.5BCN showed a 0.11% unimorph strain with a 9.0 kV/mm electric field with little hysteresis.
In this study, in order to develop low temperature sintering ceramics for ultrasonic vibrator, PNW-PMN-PZT system ceramics were manufactured with the amount of $CaCO_3$ addition and their piezoelectric, dielectric and microstructural characteristics were investigated. $CaCO_3$ addition to PNW-PMN-PZT basic composition was proved to be capable of sintering the ceramics at temperature below $1000^{\circ}C$ due to the effect of $Li_2CO_3-CaCO_3$ liquid phase. However, with increasing the amount of $CaCO_3$ addition, the second phase was appeared. As the results, electromechanical coupling coefficient (kp) and dielectric constant $(\epsilon_r)$ decreased. Taking into consideration electromechanical coupling coefficient (kp) of 0.49, mechanical quality factor (Qm) of 1396, dielectric constant $(\epsilon_r)$ of 1300 and density of $7.78[g/cm^2]$, it was concluded that the 0.25wt% $CaCO_3$ addition composition ceramics sintered at $920^{\circ}C$ was suitable for ultrasonic vibrator application.
Piezoelectric ceramic specimens with the $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})_{0.65}Ti_{0.35}O_3$ (PMN-PT) composition are prepared by the solid state reaction method known as the "columbite precursor" method. Moreover, the effects of the $Li_2O-Bi_2O_3$ additive on the microstructure, crystal structure, and piezoelectric properties of sintered PMN-PT ceramic samples are investigated. The addition of $Li_2O-Bi_2O_3$ lowers the sintering temperature from $1,200^{\circ}C$ to $950^{\circ}C$. Moreover, with the addition of >5 wt.% additive, the crystal structure changes from tetragonal to rhombohedral. Notably, the sample with 3 wt.% additive exhibits excellent piezoelectric properties ($d_{33}=596pC/N$ and Kp = 57%) and a sintered density of $7.92g/cm^3$ after sintering at $950^{\circ}C$. In addition, the sample exhibits a curie temperature of $138.6^{\circ}C$ at 1 kHz. Finally, the compatibility of the sample with a Cu electrode is examined, because the energy-dispersive X-ray spectroscopy data indicate the absence of interdiffusion between Cu and the ceramic material.
Magnetoelectric (ME) composite is composed of a piezoelectric material and a magnetostrictive material. Among various ME structures, 2-2 type layered ME composites are anticipated to be used as high-sensitivity magnetic field sensors and energy harvesting devices especially operating at its resonance modes. Rosen type piezoelectric transducer using piezoelectric material is known to amplify a small electrical input voltage to a large electrical output voltage. The output voltage of these Rosen type piezoelectric transducers can be further enhanced by modifying them into ME composite structures. Herein, we fabricated Rosen type ME composites by sandwiching Rosen type PMN-PZT single crystal between two Ni layers and studied their ME coupling. However, the voltage step-up ratio at the resonance frequency was found to be smaller than the value calculated with αME value. The ATILA FEA (Finite Elements Analysis) simulation results showed that the position of the nodal point was changed with the presence of a magnetostrictive layer. Thus, while designing a Rosen type ME composite with high performance in a resonant driving situation, it is necessary to optimize the position of the nodal point by optimizing the thickness or length of the magnetostrictive layer.
강력초음파 분야에 있어서, 트랜스듀서의 고정을 위한 프렌지의 위치설정은 트랜스듀서의 변환효율에 큰 영향을 주는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 볼트 체결형 란주반 초음파 트랜스듀서의 공진모드에 따른 프렌지의 설치 위치를 결정하기 위한 실험적 방법을 제안하였다. 제안된 방법에서는 반원형 쐐기 형태의 지그를 제작하여 트랜스듀서의 측면을 따라 이동하며 지그에 일정한 압력을 가한 후 트랜스듀서의 진동특성을 분석하였다. 압력을 가하는 위치에 따른 트랜스듀서의 입력 어드미턴스의 변화를 분석하여 프렌지의 최적의 위치를 결정할 수 있었다. 이 위치들은 메이슨 등가회로를 적용하여 계산한 공진 주파수 및 전송선로 모델 해석으로부터 계산한 각 공진 모드에 대한 입자속도 분포로부터 예측한 진동 모드의 절의 위치와 좋은 대응을 보이고 있어 본 연구에서 제안된 방법의 유효성을 확인할 수 있었다.
The impact of different mixing methods and sintering temperatures on the microstructure and piezoelectric properties of PZNN-PZT ceramics is investigated. To improve the sinterability and piezoelectric properties of these ceramics, the composition of $0.13Pb((Zn_{0.8}Ni_{0.2})_{1/3}Nb_{2/3})O_3-0.87Pb(Zr_{0.5}Ti_{0.5})O_3$ (PZNN-PZT) containing a Pb-based relaxor component is selected. Two methods are used to create the powder for the PZNN-PZT ceramics. The first involves blending all source powders at once, followed by calcination. The second involves the preferential creation of columbite as a precursor, by reacting NiO with $Nb_2O_5$ powder. Subsequently, PZNN-PZT powder can be prepared by mixing the columbite powder, PbO, and other components, followed by an additional calcination step. All the PZNN-PZT powder samples in this study show a nearly-pure perovskite phase. High-density PZNN-PZT ceramics can be fabricated using powders prepared by a two-step calcination process, with the addition of 0.3 wt% MnO2 at even relatively low sintering temperatures from $800^{\circ}C$ to $1000^{\circ}C$. The grain size of the ceramics at sintering temperatures above $900^{\circ}C$ is increased to approximately $3{\mu}m$. The optimized PZNN-PZT piezoelectric ceramics show a piezoelectric constant ($d_{33}$) of 360 pC/N, an electromechanical coupling factor ($k_p$) of 0.61, and a quality factor ($Q_m$) of 275.
In this study, we investigated the optimum calcination temperature of lead-free $0.74(Bi_{0.5}Na_{0.5})TiO_3-0.26SrTiO_3$(BNST) piezoelectric ceramics by analyzing the crystal structure, dielectric properties, and electric field-induced strain behavior. BNST ceramics prepared by conventional solid-state reaction methods at various calcination temperatures according to the industrial standard. All samples of BNST ceramics were subsequently sintered at $1,175^{\circ}C$ for 2 h. Crystal structure classification of the ceramics showed a single perovskite phase, with no second phase detectable for the samples calcined at $750^{\circ}C$ or higher. BNST samples calcined at $850^{\circ}C$ exhibited the most optimal values for itsand the common physical parameters of $density=5.518g/cm^3$, ${\varepsilon}=1,871.837$, $tan{\delta}=0.047$, and ${d_{33}}^*=874pm/V$.
Flexible impact force sensors composed of piezoelectric PZT/PDMS composite sandwiched between Al/PET films were fabricated and their voltage signal characteristics were evaluated under varying impact forces for electronic mitt applications. The piezoelectric impact force sensor on an ethylene-vinyl acetate (EVA) substrate exhibited an output voltage difference of no greater than 40 mV a periodical impact test in with the impact load was increased by as much as 240 N by a restoration time of 5 s in a five-time experiment, implying good sensing ability. Moreover, the impact force sensor embedded four electronic mitts showed a reliable sensitivity of less than 1 mV/N and good repeatability under 100 N-impact force during a cycle test executed 10,000 times. This indicated that the fabricated flexible piezoelectric impact sensor could be used in electronic mitt applications. However, the relatively low elastic limit of substrate material such as EVA or poly-urethane slightly deteriorated the sensitivity of the impact sensor embedded electronic mitt at over 200 N-impact forces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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