Experimental investigation of non-linear constitutive behavior of PZT piezoceramics

Abstract

Experimental Investigation of Non-linear Constitutive Behavior
of PZT Piezoceramics 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
... mehrrepolarise 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.

Zusammenfassung

Experimentelle Untersuchung des nichtlinearen konstitutiven
Verhaltens von PZT Piezokeramiken

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.