Measurement of thermal depolarization effects in piezoelectric coefficients of soft PZT ceramics via the frequency and direct methods

Depolarization at high temperatures around the Curie point constitutes an important yet difficultly measurable material property of piezoelectric (PZT) ceramics. The common vibrometric technique (d33 meters) is not suitable for the measurement of temperature dependences, and therefore we used the frequency method to perform the desired procedures. The indicator selected to show the depolarization state in the piezoelectric ceramics consisted in the piezoelectric charge coefficient, whose value can be effectively measured via the above-mentioned frequency technique. The accuracy of the method was verified via comparing a d33 meter constructed by the authors (as described in this paper) and also by means of differently sized cylinders of ceramics NCE51, which are designed for longitudinal length modes. Based on the obtained results, we established a measurement methodology to exactly determine the value of the Curie point that corresponded to the phase transition to a cubic crystallographic structure. The experiment also confirmed the applicability of progressively controlled depolarization of PZT ceramics by high temperature in the range of between 350 and 370 °C, and it defined the temperature limits at which there occur irreversible changes of the piezoelectric properties of PZT ceramics. In the measured NCE51 material, the limit for irreversible changes was equal to 95% of the Curie temperature (368 °C).
Depolarizace zvýšenou teplotou v okolí Curieova bodu je významnou materiálovou vlastností PZT keramiky, která je však obtížně měřitelná. Běžně dostupné d33-metry měření teplotních závislostí neumožnují, proto byla použita pro stanovení teplotních závislostí frekvenční metoda. Jako indikátor zobrazující stav depolarizace PZT keramiky byl zvolen piezoelektrický nábojový koeficient, jehož hodnotu lze frekvenční metodou dobře měřit. Přesnost frekvenční metody byla ověřena porovnáním s d33-metrem vlastní konstrukce, který je v textu rovněž popsán, na různých rozměrech válečků z PZT keramiky NCE51, určených pro podélné typy kmitů. Výsledkem je metodika měření, která umožňuje dosáhnout přesné stanovení hodnoty teploty Curieova bodu. Experiment rovněž prokázal možnost postupné řízené depolarizace PZT keramiky pomocí vysoké teploty a současně i hranice teploty, při kterých již začíná docházet k nevratné změně piezoelektrických vlastností PZT keramiky. Pro měřenou keramiku NCE51 je to 95% Curieovy teploty (368 °C).

Keywords

PZT ceramics, Piezoelectric charge coefficient, Curie temperature, Frequency method, Vibrometric method, PZT keramika, piezoelektrický nábojový koeficient, Curieova teplota, frekvenční metoda, vibrometrická metoda

Citation

Journal of the European Ceramic Society. 2016, vol. 36, issue 11, p. 2727-2738.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221916301625

Document type

Peer-reviewed

Document version

Accepted version

Language of document

en

Document licence

Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/