混合焼結された PNN-PZT 系圧電セラミックスの曲げ強度特性におよぼす混合比の影響
卒業論文要旨システム工学群1180136 坂東 侑磨

機能性材料工学研究室

2. 材料および実験方法
2.1 材料
使用する圧電セラミックスはリラクサー型強誘電セラミッ
クスの 0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.45Pb(Zr0.3Ti0.7)O3(1)(以下 A材)と 0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.44Ti0.56)O3(2)(以下 B 材)である．A 材，B 材ともに原材料として，PbO，NiO，Nb2O5，TiO2，ZrO2 を使用した．各原材料を所定の組成となるよう調合し，ポットミルを用いて湿式粉砕を 48 時間行った．なお焼結時に蒸発する Pb を補うため PbO を 3wt%増やした．粉砕後，エタノールを除去し電気炉にて仮焼きを行いその後,乳鉢により再度粉砕した．このとき A 材と B 材の混合割合を A=100，A:B=75:25，A:B=50:50，A:B=25:75，B=100 の5 種類に変えて混合した．仮焼粉の重量の 5%のバインダーを練合させた後，25mm×40mm の金型を用いて，90MPa,厚さ 1mm の加圧成形を行った．この成形体を高温電気炉により焼結させた．仮焼と焼結の条件を表 1 に示す．焼結した試験片をダイヤモンドカッターを用いて 4mm 幅に切断し試験片とした．
Table 1

Conditions of specimen preparation
Calcining
900℃/4houre
Sintering

1200℃/6houre

2.2 実験方法
焼結後各材料の結晶性を調査するため X 線回折測定(XRD)を行った．使用した機器は Rigaku 社の XRD 回折装置で，0.02°ステップで測定した．
先行研究(3)で自作された 3 点曲げ試験機を用いて，曲げ試験を行った．試験機の概略を図 1 に示す．直流モータを駆動源とし，ねじを介してクロスヘッドを移動する機構となっている．また負荷荷重はロードセルで，クロスヘッド移動量は変位計で，それらを測定しながら記録できる装置である．クロスヘッド送り速度を 0.5mm/min，支点間距離を 10mm とした．
Displacement meter
Cross head

Load cell
Loading pin

152

ASpecimen

Supporting pins

150

A

Displacement meter
Cross head

Load cell

A152

1. 緒言
圧電アクチュエータは，一般的にバイモルフ型と積層型に大別することができる．弾性板の両面に圧電セラミックスを貼り合わせた前者のタイプでは，圧電セラミックスが変形することで，屈曲変位として出力されるもので比較的大きな変位が得られる．しかし弾性板とセラミックスの接着部において損傷が生じやすく，長時間の使用で致命的な破壊に至ることもある．このような問題に対し，圧電特性に傾斜機能を持たせ，圧電セラミックス単体で屈曲変位を出力できるモノモルフアクチュエータが研究されている．このような傾斜機能圧電セラミックスの成形に電気泳動堆積法を利用する方法が提案されており，著者らの研究グループでもリラクサー型圧電セラミックス PNN-PZT の組成を徐々に変えながら電気泳動堆積させ傾斜機能化させるプロセスを検討している．
本研究では，2 種類の PNN-PZT の混合割合を連続的に変化させて電気泳動堆積させ，このような傾斜機能圧電セラミックスの創成における基礎強度データを得ることを目的とす
る．PNN-PZT の混合割合を 5 種類変えた材料の焼結体を作製し 3 点曲げ試験を行った．

Loading pin

Specimen

Supporting pins

150

A

Detail of measuring section A
Fig.1

Testing machine

3. 実験結果
3.1 XRD
図 2 にそれぞれの材料の XRD の結果を示す．図 2(a)に示した 2θ=10°~90°の範囲での回折プロファイルには，各材料ともにペロブスカイト構造の各回折面のピークが明瞭に見られた．2θ＝26°~40°について拡大したものを同図(b)に示した．B 材を加えることで，(101)面ピークは若干回折角が減少する方向にシフトし，またパイロクロアの(222)面と考えられる回折ピークが出現した．B 材の割合が増すに伴い (101)面ピーク強度に対するこのピーク強度の割合が増加する傾向が見られた．
3.2 曲げ強度
図 3 にそれぞれの材料で得られた破断曲げ応力の平均値(曲げ強さ)を示す．A 材と B 材を比べると B 材の方が曲げ強さが大きく，A 材と B 材を混合した場合，B 材の割合が50%を越えると曲げ強さは向上する傾向が見られた．
得られた曲げ強度を 1 母数ワイブル分布にあてはめた結果として図 4 に示す．各材料の形状母数は A 材の割合の大きい方から 11.1，10.1，8.1，7.9，20.5 であった．この結果，
B=100 の強度のばらつきが他の材料に比べて小さいことが分かった．

(211)

(200)

(111)

(101)

(100)

Series1
Series2
Series3
4. Series4
SEM 観察
Series5曲げ試験で破断させた試験片の破面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した結果を図 5 に示す． A=100 は同図(a)のように空隙が比較的多く，かつその分布が一様でない様相が多く見られた．一方，同図(e)に示すように B=100 は小さい空隙が多く見られたものの，その分布が一様であるために破断応力のばらつきが小さくなっていると考えられる．A 材と B 材を混合した場合，全体的に空隙が少なくなっていたが，B=100 に比べ強度のばらつきは大きかった．

Intensity

A=100
A:B=75:25
A:B=50:50
A:B=25:75
B=1001020B30405060

7080

B90

2

(111)

(222)

(101)(a) XRD profiles(10°≦2θ≦90°)(a)A=100(b)A:B=75:25(c)A:B=50:50(d)A:B=25:75

Intensity

A=100
A:B=75:25
A:B=50:50
A:B=25:75
B=10026283032343638402

(b) Detail of XRD peak B
Fig.2 XRD analysis

20µm
Fig.5

Fig.3

4. 結言
(1) 混合割合を変えた各材料とも XRD においてペロブスカイト構造の回折ピークが確認された．ただし B 材を添加するとパイロクロアの回折ピークが出現した．
(2) B＝100 の曲げ強さが最も大きい．A 材と B 材を混合した場合，B 材の割合が多くなると曲げ強さは上昇した．
(3) B＝100 のばらつきが最も少なくなっていた．破面の様相から空隙が全体的に広がっているためばらつきが少なくなっていると考えられる．

Bending strength of materials

21lnln1/S

0-1
A=100
A:B=75:25
A:B=50:50
A:B=25:75
B=100-2-3-444.5

5lnFig. 4Weibull plots(e)B=100
SEM observations of fracture surface

5.5

文献(1) Du, Jianzhou, et al. "Effects of Fe2O3 doping on themicrostructure and piezoelectric properties of 0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3–0.45Pb(Zr0.3Ti0.7)O3 ceramics."
Materials Letters vol.66,No.1 (2012):P 153-155.
(2) Ruijuan Cao, et al.”The Piezoelectric and DielectricProperties of 0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3-(0.7－x)PbZrO3 Ferroelect Ceramics Near the Morphotropic
Phase Boundary.”
J.Am.Ceram.Soc (2010) 737-741(3) 幡野利史，楠川量啓, 高坂達郎.“電気泳動堆積させた多層圧電セラミッスの曲げ強度”
日本機械学会中国四国学会第 47 回講演論文集(2017)