Piezoelectric ceramics : doped barium titanate for acoustic transducer applications

Autor: Ul, Rémy
Přispěvatelé: GREMAN (matériaux, microélectronique, acoustique et nanotechnologies) (GREMAN - UMR 7347), Institut National des Sciences Appliquées - Centre Val de Loire (INSA CVL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Tours (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National des Sciences Appliquées - Centre Val de Loire, Louis-Pascal Tran-Huu-Hue, STAR, ABES, Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Tours-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2018
Předmět:
Zdroj: Autre. Institut National des Sciences Appliquées-Centre Val de Loire, 2018. Français. ⟨NNT : 2018ISAB0005⟩
Popis: (CazBa1-z)(Ti1-x-wCoxNbw)O3-δ lead-free piezoelectric ceramics were prepared using solid-statereaction. The use of a Li2O or Li2CO3 sintering aid enables one to obtain dense ceramics at atemperature of 1100 °C instead of the 1300°C used for BaTiO3 in conventional sintering.Insertion of Li/Ca/Co/Nb in the perovskite structure improves functional properties: formicrograin-size ceramics, a piezoelectric charge constant and electromechanical couplingfactor of d33 = 255 pC/N and kp = 43,5% were reached, respectively. Furthermore, a thermalannealing of the cobalt doped sample under O2 atmosphere led to d33 = 265 pC/N and kp =42,8%. Soft/hard characteristics of the piezoelectric ceramics are observed depending on the dopantions. The Co/Li acceptor dopants lead to hard piezoelectric ceramics and aging phenomena.The aged BT:Co,Li exhibits double loops and a distorted hysteresis cycle for non-poled andpoled ceramics, respectively. Distorted hysteresis loops for BT:Co,Li show an increasedinternal bias field with aging time. Insertion of donor dopants such as niobium ionssignificantly reduces the internal field. These behaviors are related to the presence of defectdipoles (MTi’’ – VO°°)x due to the insertion of acceptor dopants in the B sites following theoxygen vacancies to equilibrate charge compensation. The high mechanical quality factors(Qm > 1000) obtained for the doped BaTiO3 ceramics affords stability against mechanicalstress and electrical stress of up to 400 VRMS/mm, which makes these materials competitivewith PZT4 for acoustic transducer applications
Résumé : Des céramiques piézoélectriques sans-plomb de composition (CazBa1-z)(Ti1-x-wCoxNbw)O3-d ont été synthétisées par procédé céramique. L’utilisation de Li2O ou deLi2CO3 comme fondant a permis d’obtenir des matériaux denses à une température de 1100°C au lieu des 1300 °C usuellement requis pour fritter le BaTiO3. L’insertion des dopantsCa/Co/Nb dans la structure pérovskite augmente les propriétés fonctionnelles : le coefficientpiézoélectrique d33 et le coefficient de couplage kp atteignent respectivement 255 pC/N et43,5%. De plus, un recuit sous O2 des échantillons dopés au cobalt mène à un d33 = 265pC/N et à un kp = 42,8%.En fonction de la nature des dopants, un caractère « doux » ou « dur » a été observé dansles céramiques piézoélectriques. Le dopage par les ions Co/Li mène à un comportement «dur » et provoque des phénomènes de vieillissement. On observe ainsi pour un BT:Co,Livieilli, un cycle d’hystérésis P = f(E) à double boucle ou déformé pour des échantillonsrespectivement non-polarisés ou polarisés. Les cycles d’hystérésis déformés révèlent alorsla présence d’un champ interne au sein du matériau qui augmente au cours du temps. Cechamp interne peut néanmoins être réduit par l’utilisation des dopants niobium ou fluor. Cesphénomènes particuliers sont dus à la formation de dipôle de défaut (MTi’’ – VO°°)x causéepar compensation de charge des dopants accepteurs par les lacunes d’oxygène. Enfin, lesgrandes valeurs du coefficient de qualité mécanique (Qm > 1000) permettent d’augmenter larésilience des céramiques synthétisées vis-à-vis de fortes contraintes, mécanique ouélectrique. Cela rend ces matériaux compétitifs comparés au PZT 4 pour des applications detype transduction acoustique
Databáze: OpenAIRE
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