In this study, in order to develop the composition ceramics for multilayer piezoelectric actuator, PMN-PNN-PZT ceramics were fabricated using $Li_2CO_3$, $Na_2CO_3$, ZnO as sintering aids and their piezoelectric and dielectric properties were investigated according to the Bi substitution, Bi substitution induced grain growth and increase of sinterablity, And also, Bi substitution suppress secondary phase due to the liquid phase sintering effect. Bi substitution enhanced electromechanical coupling factor ($k_p$) and dielectric constant ($\varepsilon_r$), However, mechanical quality factor($Q_m$) was deteriorated, At the sintering temperature of 870 $^{\circ}C$ and Bi substitution of 1 mol%, density, electromechanical coupling factor ($k_p$), mechanical quality factor ($Q_m$), Dielectric constant ($\varepsilon_r$) and piezoelectric constant ($d_{33}$) of specimen showed the optimum values of 7,878 $g/cm^3$, 0,608, 835, 1603 and 397 pC/N, respectively for multilayer piezoelectric actuator application.
In this study, in order to develop the composition ceramics for lead-free ultrasonic motor, (1-x-0.09)$NaNbO_{3-x}BaTiO_3-0,09LiNbO_3$ ceramics were fabricated using a conventional mixed oxide process and their piezoelectric and dielectric characteristics were investigated according to the $BaTiO_3$ substitution. All the specimens showed orthorhombic phase structure without secondary phase, $BaTiO_3$ substitution enhanced density, dielectric constant(${\epsilon}_r$) and electromechanical coupling factor($k_p$), However, mechanical quality factor was deteriorated. Curie temperature of specimens was observed as about $380^{\circ}C$. At the $BaTiO_3$ substitution of 4 mol%, density, electromechanical coupling factor($k_p$), dielectric constant(${\epsilon}_r$) and piezoelectric constant($d_{33}$) of specimen showed the optimum value of $4.493g/cm^3$, 0.236, 175, 70 pC/N, respectively.
This paper presents a linear computational homogenization framework to evaluate the effective (or generalized) electromechanical coupling coefficient (EMCC) of adaptive structures with piezoelectric structural fiber (PSF) composite elements. The PSF consists of a silicon carbide (SiC) or carbon core fiber as reinforcement to a fragile piezo-ceramic shell. For the micro-scale analysis, a micromechanics model based on the variational asymptotic method for unit cell homogenization (VAMUCH) is used to evaluate the overall electromechanical properties of the PSF composites. At the macro-scale, a finite element (FE) analysis with the commercial FE code ABAQUS is performed to evaluate the effective EMCC for structures with the PSF composite patches. The EMCC is postprocessed from free-vibrations analysis under short-circuit (SC) and open-circuit (OC) electrodes of the patches. This linear two-scale computational framework may be useful for the optimal design of active structure multi-functional composites which can be used for multi-functional applications such as structural health monitoring, power harvest, vibration sensing and control, damping, and shape control through anisotropic actuation.
The pollution problem of fossil energy sources has caused the development of green energy harvesting systems. Piezoelectric energy harvesting technology has been developed under those external environmental factors. A piezoelectric energy harvester can be defined as a device which transforms mechanical vibration or impact energy into electrical energy. Most researches have focused on bender structures. However, these have a limitation on energy efficiency because of the small effective electromechanical coupling factor, around 10%. Therefore, we should look for a new design for energy harvesting. A cymbal energy harvester can be a good candidate for the high-power energy harvester because it uses a high amplification mechanism using endcaps while keeping a higher electromechanical coupling factor. In this research, we focused on energy efficiency improvements of the cymbal energy harvester by changing the polarization direction, because the electromechanical coupling factor of the k33 mode and the k15 mode is larger than that of the k31 mode. Theoretically, we checked the cymbal harvester with radial polarization and it could obtain 6 times larger energy than that with the k31 direction polarization. Furthermore, we verified the theoretical expectation using the finite element method program. Consequently, we could expect a more efficient cymbal harvester with the radial polarization by comparing two polarization directions.
This research investigates the electromechanical characteristics of a spindle motor in a free-falling mobile hard disk drive before unexpected shock. Electromechanical simulation includes a time-stepping finite element analysis of the magnetic field in a speed controlled brushless DC motor and dynamic analysis of the stationary and rotating part linked by the fluid dynamic bearing under the free-falling condition. Analysis results show that the dynamic characteristics of the rotating spindle system during free-falling state have an effect on the relative motion between the stationary and rotating part of HDD. It results from the variation of reaction force in the bearing area due to the gravity force exerted on the rotating part of HDD, and the free-falling condition can be detected by observing the signal of the spindle motor and disk-head interface without using an accelerometer.
REBCO coated conductor (CC) tapes with superior mechanical and electromechanical properties are preferable in applications such as superconducting coils and magnets. The CC tapes should withstand factors that can affect their performance during fabrication and operation of its applications. In coil applications, CC tapes experience different mechanical constraints such as tensile or compressive stresses. Recently, the critical current ($I_c$) degradation of CC tapes used in coil applications due to delamination were already reported. Thermal cycling, coefficient of thermal expansion mismatch among constituent layers, screening current, etc. can induce excessive transverse tensile stresses that might lead to the degradation of $I_c$ in the CC tapes. Also, CC tapes might be subjected to very high magnetic fields that induce strong Lorentz force which possibly affects its performance in coil applications. Hence, investigation on the delamination mechanism of the CC tapes is very important in coiling, cooling, operation and design of prospect applications. In this study, the electromechanical properties of REBCO CC tapes fabricated by reactive co-evaporation by deposition and reaction (RCE-DR) under transversely applied loading were investigated. Delamination strength of the CC tape was determined using the anvil test. The $I_c$ degraded earlier under transverse tensile stress as compared to that under compressive one.
Rare-earth barium copper oxide (REBCO) coated conductor (CC) tapes have already been commercialized but still possess some issues in terms of manufacturing cost, anisotropic in-field performance, $I_c$ response to mechanical loads such as delamination, homogeneity of current transport property, and production length. Development on improving its performance properties to meet the needs in practical device applications is underway and simplification of the tape's architecture and manufacturing process are also being considered to enhance the performance-cost ratio. As compared to low temperature superconductors (LTS), high temperature superconductor (HTS) REBCO CC tapes provide a much wider range of operating temperature and a higher critical current density at 4.2 K making it more attractive in magnet and coil applications. The superior properties of the REBCO CC tapes under magnetic field have led to the development of superconducting magnets capable of producing field way above 23.5 T. In order to achieve its optimum performance, the electromechanical properties under different deformation modes and magnetic field should be evaluated for practical device design. This paper gives an overview of the effects of mechanical stress/strain on $I_c$ in HTS CC tapes due to uniaxial tension, bending deformation, transverse load, and including the electrical performance of a CC tape joint which were performed by our group at ANU in the last decade.
A new knee-ankle-foot-orthosis(KAFO) which uses an automatically-controlled electromechanical wrap spring clutch for the knee joint was developed in the present study. It was found that the output voltage from the foot switches of the developed KAFO was proportionally increased with respect to the applied load. The output voltage from the infrared sensor also decreased as the knee flexion angle increased. The knee joint system for the new KAFO weighs only 780g lighter than any other commercially available developed system. In addition, the solenoid reduces the reaction time for the automatic control of the knee joint. The static torque of the clutch was measured for three persons, and it satisfied the normal knee extension moment during the pre-swing. Three-dimensional gait analyses for three different gait patterns (normal gait, locked-knee gait, controlled-knee gait) from five normal subjects were conducted. Controlled-knee gait showed the maximum knee flexion angle of 40.56$\pm9.55^{\circ}$ and the maximum knee flexion moment of 0.20$\pm$0.07Nm/kg at similar periods in the normal gait. Our KAFO system satisfies both stability during stance phase and free knee flexion during the swing phase at the proper period during the gait cycle. Therefore, our KAFO system would be very useful in various low extremity orthotic applications.
Piezoelectric properties of PZT-PSN ceramics were investigated as a function of WO$_3$ addition from 0 wt% to 6.0 wt%. The dielectric and piezoelectric characteristics of PZT-PSN ceramics have been investigated at different calcination (80$0^{\circ}C$~90$0^{\circ}C$) and sintering (110$0^{\circ}C$~130$0^{\circ}C$) temperatures. The grain size was increased with the addition of WO$_3$and the sintering temperatures. Anisotropic properties of electromechanical coupling coefficient and piezoelectric coefficient are proven to be dependent on processing temperatures and amount of addition. At the specimen with 0.6 wt% WO$_3$ addition, using calcination temperature of 80$0^{\circ}C$ and sintering temperature of 110$0^{\circ}C$ , mechanical quality factor(Q$_{m}$) and electromechanical coupling coefficient(k$_{p}$) showed the excellent results of 1560 and 0.48, respectively Experimental results indicated that the PZT-PSN system ceramics with WO$_3$impurity could be effectively used for the microtransformer and actuator applications, etc.etc.
A new enthalpy - based procedure for the homogenization of the electromechanical material parameters of composite piezoelectric modules with integrated electrodes is presented. It is based on a finite element (FE) modeling of the latter's representative volume element (RVE). In contrast to most previously published homogenization approaches that are based on averaged quantities, the presented method uses a direct evaluation of the electromechanical enthalpy. Hence, for the linear orthotropic piezoelectric composite behavior full set of elastic, piezoelectric, and dielectric material parameters, 17 load cases (LC) are used where each load case leads directly to one material parameter. This gives the possibility to elaborate a very strict and easy to program processing. In conjunction with the 17 LC, the enthalpy - based homogenization is particularly suitable for laminated composite piezoelectric modules with integrated electrodes. In this case, the electric load has to be given at the electrodes rather than at the RVE FE model boundaries. The proposed procedure is validated through its comparison to literature available results on a classical 1-3 piezoelectric micro fiber (longitudinally polarized) reinforced composite and a $d_{15}$ shear piezoelectric macro-fiber (transversely polarized) composite module.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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