The aim of this study was to investigate the change in compressive strength, freacture behavior and degradation of piezoelectric properties with compressive cyclic loading in Pb(Zr, Ti)O3 of tetragonal, morphotropic phase boundary and rhombohedral composition. The highest compressive strength was found in rhombohedral composition. After poling treatment the strength increased by 8.4% and 6.5% in tetragonal and morphotropic phase boundary compositions respectively while changed little in rhombohedral. The increase of compressive strength after poling treatment is believed to be due to the internal stress around grain boundary by domain alginment toward electric field direction in the microstructures having tetragonality and the occurrence of domain switching to the direction perpendicular to electrical field during fracture. Fracture mode relatively change from transgranular to intergranular was observed in the large grain sized tetragonal and morphotropic phase boundary compositions before and after poling but the transgranular fracture mode always remained in the rhombohedral composition. From the X-ray diffractometer analysis the domains parallel to the electric field direction is known to undergo rearrangement during the cyclic loading into random direction that is responsible for the degradation of piezoelectric property.
In order to identify the origin of phase coexistence at morphotropic tetragonal and rhombohedral boundary in PZT ceramics, the effect of chemical inhomogeneity on phase coexistence region was investigated. Two kinds of PZT ceramics with different chemical homogeneity were prepared by conventional solid state reaction and co-precipitation method. There was coexistence of tetragonal and rhombohedral phase over a wide composition range in PZT ceramics calcined by solid state reaction, and there was also phase coexistence of which region was reduced considerably in sintered samples. And phase coexistence region was not observed in co-precipitated PZT ceramics(within 1 mole%). Therefore compositional fluctuation is considered to be major origin of the phase coexistence at morphotropic phae boundary in PZT ceramics.
Morphotropic tetragonal and rhombohederal phase boundary(MPB) in PZT system was calculated and the effect of mechanical stress and electric field on the MPB was examined using phenomenological thermodynamic theory proposed by Devonshire. Mechanical stress and electric field was calculated to change free energies of phases and shift MPB. The stable composition range of the phase, of which spontaneous strain and spontaneous polarization aligned to the direction of tensile stress or electirc field, was expanded.
Effects of thermal annealing on the dielectric/piezoelectric properties of $Pb(Zn, Mg)_{1/3}Nb_{2/3}O_3-PbTiO_3$ ceramics (PZMNPT) with Zn/Mg=6/4) were examined across the rhombohedral/tetragonal morphotropic phase boundary (MPB). Both the relative dielectric permittivity ($\varepsilon$r)and the piezoelectric constant($d_33$)/electromechanical coupling constant ($k_p$)were increased by thermal annealing ($800^{\circ}$~$900^{\circ}C$) after sintering at $1150^{\circ}C$ for 1 hr. Based on the dielectric analysis using the series mixing model and the concept of a random distribution of the local Curie points, the observed improvements in the dielectric and piezoelectric properties of PZMN-PT were interpreted in terms of the elimination of PbO-rich amorphous intergranular layers(~1nm) induced by thermal annealing. A concrete evidence of the presence of amorphous grain-boundary layers in the unannealed (as-sintered) specimen was obtained by examining the structure of intergranular region using a TEM.
The morphotropic phase boundary and phase transitions of the solid solutiion system, (1-x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-PbTiO3+xPbTiO3 were studied by investigating changes in crystal structure, variations in permittivity with temperature, and calorimetric behavior. It was observed that the morphotropic phase boundary (MPB) of this solid solutiion system was at near 14 mol% of PbTiO3. Compositions containing less than 10mol% PbTiO3 (x<0.1) exhibited a phase transition, i.e. ferroelectric rhombohedrallongrightarrowparaelectric paraelectric cubic, with increasing temperature. Composition containing more than 14 mol% PbTiO3 (x 0.14) showed a phase transition from ferroelectric tetragonal to paraelectric cubic. In the composition range of 0.1$\varepsilon$ (T) curve, which coincided with a phase transition from ferroelectric rhombohedral to an intermediate phase, was also found.
Effects of MnO2 addition on themicrostructure, dielectric and piezoelectric properties of Rhombohedral, Tetragonal and Morphotropic phase boundary(MPB) in Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3 system were investigated and respectively the amount of MnO2 addition was 0, 0.2, 0.5, 1.0, 3.0wt%. In the tetragonal region, compared with the Rhombohedral and Morpotropic phase boundary, Mechanical quality factor(Qm), Curie temperature(Tc) and Dissipation factor were promoted by addition of MnO2. According to the results of the microstructure, dielectric and piezoelectric properties, the solid solution range of MnO2 addition in this system was 0.2-0.5wt%.
The dielectric and piezoelectric properties with compositions in Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3-(PNN-PT-PZ)solid solution ceramics were investigated. In this study, the compsition ranges were 30 PNN 45mole%, 20 PT 50mole% and 50 PZ5mole%. As PT fraction were increased the grain size was increased and the fired density was decreased, but the changes of PNN fraction had no effect on the grain size. The Curie temperature was increased when PT and PNN fraction were increased. The displacement was increased but had a great hysteresis loss when PT fraction was increased. In morphotropic phase boundary, the maximum piezoelectric and electromechanical coupling factor were indicated. Morphotropic phase boundary(MPB) was 34 PT 36mole% in chang of compositions.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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1989.06a
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pp.70-73
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1989
(1-x-y)Pb($Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_3-Ba(Zn_{1/3}Nb_{2/3})O_3-PbTiO_3(0.12{\leq}x{\leq}0.21, 0.24{\leq}y{\leq}0.33$) ternary compound ceramics were fabricated by the mixed oxide method. The sintering temperature and time were 1050 [$^{\circ}C$], 2[hr]. Morphotropic phase boundary region was chosen for the composition. 0.55 PZN-0.21 BZN-0.24 PT specimen had the highest value of relative dielectric constants, 5353. The curie temperature of specimens were increased linearly with PT content. Near the morphotropic phase boundary, electro-mechanical coupoling factor and mechanical quality factor of the specimens had the highest values.
In the present study, domain evolution processes of a near-morphotropic PZT ceramic during poling was studied using vertical piezoresponse force microscopy (PFM). To perform macroscopic poling in bulk polycrystalline PZT, poling was carried out in a stepwise fashion, and PFM scan was performed after unloading the electric field. To identify the crystallographic orientation and planes for the observed non-$180^{\circ}$ domain walls in the PFM images, compatibility theory and electron backscatter diffraction (EBSD) were used in conjunction with PFM. Accurate registration between PFM and the EBSD image quality map was carried out by mapping several grains on the sample surface. A herringbone-like domain pattern consisting of two sets of lamellae was observed; this structure evolved into a single set of lamellae during the stepwise poling process. The mechanism underlying the observed domain evolution process was interpreted as showing that the growth of lamellae is determined by the potential energy associated with polarization and an externally applied electric field.
The effect of 0-0.7 ㏖% addition of $Cr_2$$O_3$on the dielectric, pyroelectric, and piezoelectric properties were studied in the (Mg$0.7Pb_{1}$$3/Nb_{2}$3/)$O_3$-$0.3PbTiO_3$(0.7PMN-0.3PT) ceramics with composition near the morphotropic phase boundary. The dielectric constant and loss of the ceramics samples were measured as a function of temperature at various frequencies (0.1-100 KHz). The pyroelectric coefficient was measured by using the Byer-Roundy method as a function of temperature. Dielectric, pyroelectric, and piezoelectric constant achieved the maximum values of 0.4 ㏖% $Cr_2$$O_3$The transition temperature is continuously shifted to lower temperature with an increase of a small amount of $Cr_2$$O_3$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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