1-3형 압전복합체의 전기-기계 결합성능에 대한 수치해석

Abstract

본 연구에서는 1_3형 압전복합체(1-3 type piezo-composite)의 전기-기계적 성능을 수치적으로 분석하였다. PZT 세라믹스의 압전물성 계산치를 실험치와 비교하여 수치 해석방법의 정확성을 검증하였다. 그리고 구성재료의 부피 비 및 물성, PZT 기둥의 종 횡비(aspect ratio) 등이 복합체의 <TEX>$k_t$</TEX>특성에 미치는 영향을 해석하였다. 그 결과, PZT 부피 비가 30 vol%까지 증가함에 복합체의 <TEX>$k_t$</TEX> 특성은 급격하게 증가하다가 그 이상의 영역에서는 일정한 값에 수렴한다. 그리고 상대적으로 유연한 폴리머를 사용한 복합체가 전반적으로 우수한 <TEX>$k_t$</TEX> 특성을 갖는다. 또한 PZT 부피비가 30 % 이하인 경우, 복합체의 <TEX>$k_t$</TEX> 특성은 PZT 기둥의 종횡 비에 많은 영향을 받는다. 그러므로 <TEX>$k_t$</TEX> 특성 향상을 위해서는 상대적으로 유연한 폴리머 및 우수한 압전특성의 PZT를 사용하여 복합체를 구성하는 것이 유리하다. Electro-mechanical coupling performance (<TEX>$k_t$</TEX>) of a 1-3 type Piezo-composite was analyzed numerically using FEM. The calculated physical properties of the PZT ceramics were compared with the experimental data and the accuracy of the numerical method was verified. Also the <TEX>$k_t$</TEX> of the composite was analyzed with the vol% and the material properties of the constitutional parts, and the aspect ratio of the PZT rod. As the simulated results, the <TEX>$k_t$</TEX> increased rapidly when the vol% of the PZT ceramics increased up to 30 vol% and saturated the constant value in the above region. And the composite using the soft matrix polymer than the hard one have the superior <TEX>$k_t$</TEX> characteristics. The <TEX>$k_t$</TEX> was greatly influenced by the aspect ratio of the PZT rod up to 30 vol% of PZT ceramics. To improve the <TEX>$k_t$</TEX> characteristics, it is useful that the composite consist of the relatively flexible polymers and the PZT material having the excellent piezoelectric characteristics.