Damage evolution in ferroelectric PZT induced by bipolar electric cycling

• Published in: Acta materialia 2000-09, Vol.48 (14), p.3783-3794
• Main Authors: Nuffer, J, Lupascu, D.C, Rödel, J
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Acoustic methods; Condensed matter: electronic structure, electrical, magnetic, and optical properties; Dielectric, piezoelectric, ferroelectric and antiferroelectric materials; Dielectrics, piezoelectrics, and ferroelectrics and their properties; Exact sciences and technology; Fatigue; Ferroelectricity; Lattice defects; Niobates, titanates, tantalates, pzt ceramics, etc; Physics; Piezoelectricity
• ISSN: 1359-6454; 1873-2453
• DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00173-7

The fatigue behaviour of commercial bulk Lead Zirconate Titanate (PZT) induced by bipolar cycling was investigated. Polarisation and strain hysteresis loops as well as acoustic emissions (AE) were monitored. Higher cycling fields (2× E c ) yield stronger fatigue, higher AE energy values and lower threshold values for the onset of AE events at high cycle numbers. AE amplitudes and energies were found to be a measure for the degree of domain clamping. Cycling at 2 E c leads to an increasing asymmetry of the strain hysteresis, which is explained by an offset polarisation. Corrosion paths were observed by SEM, most numerously in the centre of a strongly fatigued sample. A damage scenario based on domain wall clamping due to the coalescence of point defects is presented. Evolution de la détérioration du céramique de zirconate-titanate de plomb (PZT) induit par cyclage bipolaire: Le développement des propriétés de la titanate-zirconate de plomb induit par cyclage bipolaire a été observé. L'hystérèse de polarisation et de dilatation ont été mesuré aussi que l'émission acoustique. Des champs électriques plus élevés (2× E c ) pendant le cyclage donnent une détérioration plus grave, des amplitudes acoustiques plus élevées et un début d'émission acoustique par rapport au champ électrique inférieur, surtout à haut nombre de cycles. Les amplitudes et énergies des émissions acoustiques reflètent le degré de blocage des domaines. Cyclage à 2 E c mène à une asymétrie de l'hystérèse de dilatation, qui a été expliqué par une polarisation décalée. Des lignes de corrosion sont visible dans le microscope électronique à balayage (MEB), surtout au centre d'un échantillon très détérioré. Un scénario de détérioration à base de blocage de domaines par des défauts agglomérés est proposé. Schadensentwicklung in ferroelektrischem PZT induziert durch bipolare elektrische Zyklierung: Das Ermüdungsverhalten von kommerziellem Blei-Zirkonat-Titanat während zyklischer bipolarer Belastung ist untersucht worden. Die Polarisations- und Dehnungshysterese sowie die akustischen Emissionen (AE) wurden beobachtet. Höhere Zyklierfelder (2× E c ) bewirken eine stärkere Schädigung, höhere AE-Amplituden und niedrigere Schwellwerte für das Einsetzen von AE bei hohen Zyklenzahlen. Die AE-Amplituden bilden ein Maß für den Grad an Domänenklemmung. Eine Zyklierung bei 2 E c führt zu einer wachsenden Asymmetrie der Dehnungshysterese, die durch eine Verschiebungspolarisation erklärt werden kann. Korrosionspfa