Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.93-96
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2007
This paper presents a theoretical approach to describe the vibration characteristics in the 1-3 piezoelectric composite arrayed on a cylindrical surface. By homogenizing the composite composed of a piezoelectric ceramic and a polymer the physically useful parameters were defined and then used to derive the governing equation of radial motion for the cylindrical 1-3 piezoelectric composite. Applying mechanical and electric boundary conditions has yielded a characteristic equation for radial vibration of the composite. Theoretical calculations of the resonance frequency have been compared with those obtained by the finite-element analysis and have shown a good agreement.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.11a
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pp.46-49
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2000
A decoupled thermo-~lezoelectric-mechanical model of composite laminates with surface bonded piezoelectric actuators, subjected to externally applied load, temperature change load, electric field load is developed. The governing differential equations are obtained by applying the principle of free energy and variational techniques. A higher order zigzag theory displacement field is employed to accurately capture the transverse shear and normal effects in laminated composite plates of arbitrary thickness.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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1989.06a
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pp.63-65
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1989
Piezoelectric BaTiO$_3$-polymer composite were investigated for dielectric and piezoelectric properties with the barium titanate active particle size. Under the condition of the same density and ceramic volume ratio of composite, the dielectric and piezoelectric constant of composite are increasing as the ceramic particle size in composite are increasing. The surface layer model was quoted to explain these phenomena in our system and experimentally confirmed. The connectivity parameter of modified cube model of composite was calculated from the dielectric constant variation as their particle size. The connectivity parameter X and Y were 77.8% and 98.9% respectively. It means that the barium titanate particle distribution in composite nearly approach to the parallel mode. It was experimentally confirmed that the surface layer has low dielectric and nonferroelectric properties. Dielectric constant and thickness of surface layer were calculated from the equivalent circuit of composite.
Dong Hun, Heo;Dong Yeol, Hyeon;Sung Cheol, Park;Kwi-Il, Park
Korean Journal of Materials Research
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v.32
no.11
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pp.508-514
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2022
Piezoelectric composite films which are enabled by inorganic piezoelectric nanomaterials-embedded polymer, have attracted enormous attention as a sustainable power source for low powered electronics, because of their ease of fabrication and flexible nature. However, the absorption of applied stress by the soft polymeric matrices is a major issue that must be solved to expand the fields of piezoelectric composite applications. Herein, a flexible and porous piezoelectric composite (piezoelectric sponge) comprised of BaTiO3 nanoparticles and polydimethylsiloxane was developed using template method to enhance the energy conversion efficiency by minimizing the stress that vanishes into the polymer matrix. In the porous structure, effective stress transfer can occur between the piezoelectric active materials in compression mode due to direct contact between the ceramic particles embedded in the pore-polymer interface. The piezoelectric sponge with 30 wt% of BaTiO3 particles generated an open-circuit voltage of ~12 V and a short-circuit current of ~150 nA. A finite element method-based simulation was conducted to theoretically back up that the piezoelectric output performance was effectively improved by introducing the sponge structure. Furthermore, to demonstrate the feasibility of pressure detecting applications using the BaTiO3 particles-embedded piezoelectric sponge, the composite was arranged in a 3 × 3 array and integrated into a single pressure sensor. The fabricated sensor array successfully detected the shape of the applied pressure. This work can provide a cost-effective, biocompatible, and structural strategy for realizing piezoelectric composite-based energy harvesters and self-powered sensors with improved energy conversion efficiency.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.3
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pp.301-312
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2009
This paper presents a theoretical approach to calculate the resonant frequency of a thickness vibration mode in the radial direction for a 1-3 piezoelectric composite transducer of circular arch shape. For the composite transducer composed of a piezoelectric ceramic and a polymer, vibration parameters were derived according to the volume ratio of a ceramic, and a vibration characteristic equation was derived from the piezoelectric governing equations with adequate boundary conditions. The fundamental resonant frequencies were calculated numerically and verified by comparing them with those obtained from the finite element analysis and the experiment. The volume ratio and the thickness are more substantial than the curvature radius to determine the fundamental resonant characteristics, and the fundamental resonant frequency becomes higher for the larger volume ratio of the piezoelectric ceramic and for the smaller thickness.
The radial vibration behaviors of a circular cylindrical composite piezoelectric transducer (CPT) are investigated. The CPT is composed of a piezoelectric ring polarized in the radial direction and an elastic ring graded in power-law variation form along the radial direction. The governing equations for plane stress state problem under the harmonic excitation are derived and the exact solutions for both piezoelectric and functionally graded elastic rings are obtained. The characteristic equations for resonant and anti-resonant frequencies are established. The presented methodology is fit to carry out the parametric investigation for composite piezoelectric transducers (CPTs) with arbitrary thickness in radial direction. With the aid of numerical analysis, the relationship between the radial vibration behaviors of the cylindrical CPT and the material inhomogeneity index of the functionally graded elastic ring as well as the geometric parameters of the CPTs are illustrated and some important features are reported.
In the present analysis, the spline finite strip with higher-order shear deformation is formulated for the static analysis of piezoelectric composite plates. The proposed method incorporates Reddy's third-order shear deformation theory, Touratier's "Sine" model, Afaq's exponential model, Cho's higher-order zigzag laminate theory, as well as the classic plate theory and the first-order plate theory. Thus, the analysis can be conducted based on any of the above-mentioned theories. The selection of a specific method is done by simply changing a few terms in a 2 by 2 square matrix and the results, obtained according to different plate theories, can be compared to each other. Numerical examples are presented for piezoelectric composite plates subjected to mechanical loading. The results based on different shear deformation theories are compared with the three-dimensional solutions. The behaviours of piezoelectric composite plates with different length-to-thickness ratios, fibre orientations, and boundary conditions are also investigated in these examples.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.29
no.11
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pp.712-715
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2016
In this paper, we fabricated flexible CNT/PVDF piezoelectric composite device by introducing CNTs (carbon nanotubes) into PVDF (poly-vinylidene fluoride) solution using spray coating technique. Flexible PEDOT:PSS conducting polymer was used as electrodes. We tried to improve the piezoelectric performance from the CNT/PVDF composite film by increasing the portion of the ${\beta}$-phase PVDF in the film. We confirmed the structural conformation of the CNT/PVDF composite film as a function of CNT concentration by using FT-IR (fourier transform infra-red). As increasing CNT concentration, portion of the ${\beta}$-phase PVDF and resulting piezoelectric performance increased in the CNT/PVDF composite film. We found that CNTs introduced were played as seeds for formation of the ${\beta}$-phase PVDF in the CNT/PVDF composite film and resulting improvement of the piezoelectric performance.
A decoupled thermo-piezoelectric-mechanical model of composite laminates with surface bonded piezoelectric actuators, subjected to externally applied load, temperature change load, electric field load is developed. The governing differential equations are obtained by applying the principle of free energy and variational techniques. A higher order zigzag theory displacement field is employed to accurately capture the transverse shear and normal effects in laminated composite plates of arbitrary thickness.
The energy harvesting device is known to be promising as an alternative to solve the resource shortage caused by the depletion of petroleum resources. In order to overcome the limitations (environmental pollution and low mechanical properties) of piezoelectric elements capable of converting mechanical motion into electrical energy, many studies have been conducted on a polymer matrix-based composite piezoelectric energy harvesting device. In this paper, the output performance and related applications of the reported piezoelectric composites are reviewed based on the applied materials and processes. As for the piezoelectric fillers, zinc oxide, which is advantageous in terms of eco-friendliness, biocompatibility, and flexibility, as well as ceramic fillers based on lead zirconate titanate and barium titanate, were reviewed. The polymer matrix was classified into piezoelectric polymers composed of polyvinylidene fluoride and copolymers, and flexible polymers based on epoxy and polydimethylsiloxane, to discuss piezoelectric synergy of composite materials and improvement of piezoelectric output by high external force application, respectively. In addition, the effect of improving the conductivity or the mechanical properties of composite material by the application of a metal or carbon-based secondary filler on the output performance of the piezoelectric harvesting device was explained in terms of the structure of the composite material. Composite material-based piezoelectric harvesting devices, which can be applied to small electronic devices, smart sensors, and medicine with improved performance, can provide potential insights as a power source for wireless electronic devices expected to be encountered in future daily life.
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