Uniaxial Stress Dependence of the Piezoelectric Properties

of Tetragonal Pb(Mg1/3Nb2/3)Ti(1-x)O3 Ceramics

 

Comportement des céramiques piézoélectriques quadratiques de type Pb(Mg1/3Nb2/3)Ti(1-x)O3

sous compression uniaxiale

 

A. Hajjaji1, S. Pruvost1, G. Sebald1, L. Lebrun1, D. Guyomar1, K. Benkhouja2*

1 Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité. INSA de lyon

Bât. Gustave FERRIE, 8 rue de la physique, 69621 Villeurbanne cedex, France

2 Equipe de Génie des Procédés, Céramiques et Membranes,

Université Chouaib Doukkali, Faculté des Sciences, Département de Chimie.

B.P 20; 24000 El Jadida, Maroc

* Corresponding author. E-mail: benkhoujakhalil@yahoo.fr

Received: 03 December 2006; revised version accepted: 29 May 2007

Abstract 

     Ceramics lead magnesium niobate-lead titanate Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 of different compositions (x=0.38 to 0.45) were prepared by the columbite precursor method. The effect of uniaxial stresses on macroscopic properties and microscopic parameters of tetragonal ceramics Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 was investigated. The intensity variation of the different X-ray diffraction (XRD) pattern profiles was used to identify the percentage of switched domains (PSD) in the tetragonal phase of Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 ceramics during the application of a compressed stress. It was found that stress depolarization was controlled by 90° domain reorientation, and depends on the tetragonality of the phase. The polarization deduced from the microscopic data was simulated and compared with macroscopic polarization, underlying a strong correlation between microscopic parameters and macroscopic properties. It is evidenced that the depolarization process under stress is almost only governed by domain switching unit cell/ dipolar moment variations. The dynamic piezoelectric charge coefficients and the polarization of different compositions have been measured for stresses up to 130 MPa. In general, they show a non-linear behaviour with an initial increase in d33 as the stress is increased followed by a significant decrease.

 

Keywords: Ceramics; Ferroelectrics; X-ray diffraction; PMN-PT system; Domain switching; Polarization.

 

Résumé

     Différentes céramiques de composition Pb(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 (x=0.38 à 0.45) ont été synthétisées sous forme de composés massifs par la méthode colombite. Afin de démontrer le très grand potentiel de ces matériaux, il est important de connaître le comportement de ceux-ci sous différentes conditions d’excitation. Le pourcentage des domaines ayant basculé lors de l'application d'une contrainte mécanique a été évalué en utilisant la diffraction des rayons X. Ainsi la dépolarisation induite sous contrainte mécanique est dirigée par la réorientation des domaines à 90°, et dépend du facteur de tétragonalité.

La polarisation macroscopique a été simulée à partir des données microscopiques traduisant une corrélation micro-macro. La constante de charge piézoélectrique d33 et la polarisation P ont été mesurées simultanément in-situ pour différentes compositions. En général, elles montrent un comportement non linéaire en fonction de la contrainte mécanique appliquée avec une légère augmentation de d33 suivie d’une diminution marquante.


 

Mots clés: Céramiques ; Ferroélectriques ; Diffraction de rayon X ; Système PMN-PT ; Basculement des domaines ; Polarisation.

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