University of Oulu

Advanced piezoelectric composites : development and properties

Saved in:
Author: Siponkoski, Tuomo1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering, Microelectronics (MIC)
3University of Oulu, Infotech Oulu
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526235561
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-12-09
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu, for public defence in the Oulun Puhelin auditorium (L5), Linnanmaa, on 16 December 2022, at 12 noon
Tutor: Docent Jari Juuti
Professor Heli Jantunen
Reviewer: Professor Mari-Ann Einarsrud
Professor Mohammed Es-Souni
Opponent: Professor Sohini Kar-Narayan
Description:

Abstract

This thesis introduces three state-of-the-art piezoelectric composites developed in the work together with their fabrication, properties and future prospects. The investigated materials were printable ceramic-polymer composite Pb(ZrTi)O3-P(VDF-TrFE) and ultra-low temperature fabricated all-ceramic upside-down composites Pb(ZrTi)O3-LiMoO4 and Pb(ZrTi)O3-TiOx. In upside-down composites the proportions of filler and matrix are “upside-down” in relative to traditional composites, since the fraction of filler is remarkably high (over 75 vol.%).

The PZT-P(VDF-TrFE) on a polymer substrate showed an increasing piezoelectric response with increasing filler (PZT) loading until 50 vol.%, after which its properties collapsed. By adjusting the filler content and by adding a surfactant treatment to the filler particles, better film quality and dispersion was achieved. Further enhancement was enabled by reinforcing the polymer substrate with a thin steel foil or by using thin metallic substrates. These resulted piezoelectric charge coefficient d31 that was about 9.8 and 4.3 times the d31 of the samples on pure polymer, respectively. These improvements together with flexibility of the structures open up new possibilities in application design.

The PZT-LiMoO4 was fabricated at room temperature and at 120 °C, while PZT-TiOx required at least 300 °C to produce high quality samples. Both composites showed remarkably high piezoelectric charge d33 and voltage g33 coefficients (84 pC/N and 33 mVm/N and 150 pC/N and 49 mVm/N, respectively). These results were the highest reported in the literature for composites with such low fabrication temperatures. The PZT-TiOx was also demonstrated as a charge mode acceleration sensor, which showed sensitivities comparable to commercial sensors. The upside-down method was found suitable for piezoelectric composites and resulting high performance, thus these results pave the way for utilizing ultra-low temperature fabricated composites in piezoelectric applications in future.

see all

Tiivistelmä

Tässä tutkimuksessa kehitettiin kolme uutta pietsosähköistä komposiittimateriaalia ja tutkittiin niiden valmistusta, tärkeimpiä ominaisuuksia sekä mahdollisia tulevaisuuden sovelluksia. Tutkittavana olivat painettava keraami-polymeeri komposiitti, Pb(ZrTi)O3-P(VDF-TrFE) ja erittäin matalassa lämpötilassa valmistettavat täyskeraamikomposiitit Pb(ZrTi)O3-LiMoO4 ja Pb(ZrTi)O3-TiOx. Täyskeraamikomposiitit valmistettiin uudella "upside-down" –menetelmällä, jossa täyteaineen määrä on niin korkea (yli 75 til.%), että täyte- ja matriisimateriaalien keskinäisen suhteen voidaan sanoa olevan ”nurinpäin” tai ”upside-down” verrattaessa perinteisiin komposiitteihin.

PZT-P(VDF-TrFE) valmistettiin polymeerialustalle ja sen pietsosähköinen vaste kasvoi täyteaineen (PZT) määrän kasvaessa noin 50 til.% asti, minkä jälkeen sen ominaisuudet romahtivat. Säätämällä täyteaineen määräksi 48 til.% ja lisäämällä sille pinnoitekäsittely, saatiin valmistettujen kalvojen laatua parannettua. Tämän lisäksi pietsosähköinen varauskerroin d31 kasvoi, kun polymeerialusta joko vahvistettiin teräskalvolla (9,8-kertaiseksi) tai korvattiin ohuella metallikalvolla (4,3-kertaiseksi). Edellä esitetyt parannukset ja saavutetut tulokset avaavat uusia mahdollisuuksia pietsosähköisten sovellusten ja komponenttien suunnitteluun.

PZT-LiMoO4 valmistettiin sekä huoneenlämmössä että 120 °C lämpötilassa, kun taas PZT-TiOx vaati vähintään 300 °C lämpötilan. Molemmista komposiiteista mitattiin korkeat pietsosähköiset varaus- d33 ja jännitekertoimet g33 (84 pC/N ja 33 mVm/N sekä 150 pC/N ja 49 mVm/N). Nämä olivat korkeimpia arvoja, joita on kirjallisuudessa raportoitu näin matalissa lämpötiloissa valmistetuille komposiiteille. PZT-TiOx komposiitista valmistettiin myös varausmoodin kiihtyvyysantureiden prototyyppejä, joiden herkkyys oli verrattavissa kaupallisiin komponentteihin. Saavutetut tulokset viitoittavat ultra-matalassa lämpötilassa valmistettujen komposiittien tietä tulevaisuuden pietsosähköisiin sovelluksiin.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3556-1
ISBN Print: 978-952-62-3555-4
Issue: 865
Subjects:
PZT