Piezoelektrik seramik yığın aktüatörlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Bu tez çalışmasında, PZT-5H (Pb(Zr,Ti)O?) esaslı piezoelektrik seramikler kullanılarak yığın tipi piezoelektrik aktüatörlerin üretimi, entegrasyonu ve performans karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın temel amacı, seramik kalınlığı, ön stres seviyesi, yapışkan ve entegrasyon tipinin aktüatörün elektromekanik tepkisi üzerindeki etkilerini araştırmak ve optimum çalışma koşullarını belirlemektir. Üretim süreci, PZT-5H tozlarının kalıplanması, bağlayıcı giderme, sinterleme, elektrotlama, kutuplama ve entegrasyon aşamalarını kapsamaktadır. Bağlayıcı giderme işleminde organik fazın kontrollü şekilde uzaklaştırılması sağlanmış, sinterleme sonrasında yoğun ve homojen mikroyapı elde edilmiştir. XRD analizleri, perovskit fazın korunduğunu; SEM incelemeleri, iyi sinterlenmiş, taneler arası boşluğu düşük ve homojen yapı oluştuğunu göstermiştir. d?? katsayısı (? 666 pC/N), PZT-5H seramiğinin yüksek piezoelektrik etkinliğini doğrulamıştır. Kutuplanan seramikler, vidalı entegrasyon yöntemiyle birleştirilmiş, silikon enkapsülasyon uygulanarak elektriksel ark oluşumu ve mekanik çatlama önlenmiştir. Ön stres deneyleri (5, 10, 15 N) sonucunda, 10 N ön yükün optimum olduğu belirlenmiş; daha düşük yüklerde gevşeme, daha yüksek yüklerde ise kırılma gözlenmiştir. Farklı kalınlıklardaki (1 mm, 2 mm, 3 mm) aktüatörler, toplam aktif kalınlığı sabit (12 mm) olacak şekilde üretilmiştir. Deplasman ve blokaj kuvveti testleri, uygulanan voltaj ile her iki parametre arasında doğrusal ancak ters orantılı bir ilişki olduğunu göstermiştir. 1 mm kalınlığındaki aktüatör, düşük voltajda yüksek hassasiyet sergilemiş; 2 mm kalınlığı, kuvvet–deplasman dengesi açısından en kararlı sonuçları vermiştir. 3 mm kalınlığındaki yapı, 2800 V'a kadar dayanım göstermiş, yaklaşık 13 µm deplasman ve 92 N blokaj kuvveti ile en yüksek performansa ulaşmıştır. Sonuç olarak, seramik kalınlığının, ön stres seviyesinin ve entegrasyon yönteminin piezoelektrik aktüatör performansında belirleyici parametreler olduğu ortaya konmuştur. Elde edilen bulgular, geliştirilen yapıların hassas konumlandırma, titreşim kontrolü, enerji dönüştürücü sistemler ve mikro-mekanik uygulamalarda kullanılabileceğini göstermektedir.In this study, stack-type piezoelectric actuators were fabricated, integrated, and characterized using PZT-5H (Pb(Zr,Ti)O?)-based piezoelectric ceramics. The main objective of this research was to investigate the effects of ceramic layer thickness, preload level, bonding and integration type on the electromechanical performance of the actuators and to determine the optimum operating conditions. The fabrication process included powder pressing, binder burnout, sintering, electrode coating, poling, and mechanical integration. The binder removal step ensured the controlled elimination of organic residues, while sintering resulted in a dense and homogeneous microstructure. XRD analyses confirmed the formation of a single perovskite phase, and SEM observations revealed well-sintered, fine-grained ceramics with minimal porosity. The measured d?? coefficient (~666 pC/N) verified the high piezoelectric activity typical of soft PZT-5H compositions. After poling, the ceramic rings were assembled using a screw-based integration technique, and silicone encapsulation was applied to prevent electrical arcing and mechanical cracking. Preload experiments (5, 10, and 15 N) revealed that a 10 N preload provided the best mechanical stability—lower values led to relaxation, while higher stresses caused ceramic fracture. Stack actuators with different ceramic thicknesses (1 mm, 2 mm, and 3 mm) were fabricated while keeping the total active thickness constant at 12 mm. The displacement and blocking force measurements showed a linear yet inversely proportional relationship between these two parameters. The 1 mm-thick actuator demonstrated high sensitivity under low voltage, while the 2 mm actuator exhibited the most balanced electromechanical response. The 3 mm-thick actuator achieved the best overall performance, sustaining voltages up to 2800 V and generating a maximum displacement of ~13 µm and a blocking force of ~92 N. In conclusion, the study demonstrates that ceramic thickness, preload level, and integration design are key parameters determining the mechanical and electrical behavior of piezoelectric stack actuators. The findings highlight the potential of the developed PZT-5H-based actuators for precision positioning, vibration control, energy conversion, and micro-mechanical systems in advanced engineering applications.