Kristalografik dokuya sahip piezoseramiklerin ultrasonik motor uygulamaları
Ultrasonic motor applications of crystalographically textured piezoceramics
Yazar: SİNAN DURSUN
Danışman: PROF. DR. SEDAT ALKOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı kristalografik dokuya sahip olarak üretilen üstün özellikli piezoelektrik seramikleri sonlu elemanlar analizi ile tasarımı yapılan yeni bir ultrasonik motor (USM) tasarımında kullanmak ve üretilen prototip cihazların temel ölçümlerini yapmaktır. USM uygulamasında kullanılacak seramiklerin hem sert hem de yumuşak piezoelektrik özellik göstermesi için seramiklerin üretimi iki temel yaklaşım ile gerçekleştirilmiştir. Bunun için seçilen piezoelektrik seramiğe yapılacak uygun bir katkılama ile sert, seramiğin mikro yapısını kristalografik olarak yönlendirme ile de yumuşak karaktere sahip özellik kazandırılmıştır. Tez çalışması başlıca 5 temel bölümden oluşmakta ve bu bölümlerin her biri belirli bir amaca yönelik kendi içinde çalışmalar ve sonuçlar/iyileştirmeler içermektedir. İlk olarak USM uygulamasında kullanılacak seramik malzemenin seçilmesi amaçlanmıştır. Tek kristal özellikleri yüksek olan Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 –PbZrO3 – PbTiO3 (PMN-PZT) esaslı piezoelektrik malzemesi verilen bir üçlü denge diyagramından seçilerek elektriksel özellikleri araştırılmıştır bunun sonucunda kristalografik yönlenmeye uygun olan seramik seçilmiştir. İkinci bölümde ise seçilen PMN-PZT seramiğine MnO2 katkılaması yapılarak yüksek güç uygulaması için sert karaktere sahip olması sağlanmıştır. Daha sonraki bölümde kristalografik olarak <001> yönelimine sahip olarak dokulu seramik üretiminde kullanılacak tek kristal şablon parçacıkların üretimi ve faz, morfolojik büyümeleri ve kristalografik yönlenmeleri karakterize edilmiştir. Üretilen BaTiO3 (BT) plakasal şablonları dokulu PMN-PZT üretiminde kullanılmıştır. Dokulu seramiklerin elektrik ve elektromekanik karakterizasyonu yapılara üstün özellik gösteren dokulu seramik yüksek güç uygulaması için seçilmiştir. Dördüncü bölümde ise üretilen dokulu seramiklerin yüksek güç karakterizasyonu yapılarak ticari PZT4 seramiği ile yarışabilir düzeyde performans gösterdiği tespit edilmiştir. Son bölümde ise sonlu elemanlar analizi ile tez çalışmasına özgün altıgen stator'e sahip ultrasonik motor tasarımı yapılmıştır. Dokulu seramikler kullanılarak üretimi gerçekleştirilen prototip USM'ler 74.5 kHz' de 305 rpm dönme hızına ve 91 kHz' de doğrusal hareket edebilmektedirler.

Abstract:
The aim of this study is piezoelectric ceramics that produced with crystallographic textured with superior properties for use the application of an ultrasonic motor (USM) which designed by finite element analysis and to make basic measurements of the produced prototip devices. The production of ceramics were carried out with two basic approaches in order to used the ceramics in USM application which have both hard and soft piezoelectric properties. It was achieved to the selected piezoelectric ceramics have hard and soft combinatory by crystallographic orientation and an appropriate dopant addition. This thesis study was established five main sections which each of these sections include specific purpose to improvement study and results. In the first section, it is aimed to select ceramic material to be used in ultrasonic motor application. The Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 –PbZrO3 – PbTiO3 (PMN-PZT) based piezoelectric material with high single crystal properties were investigated by choosing from a ternary equilibrium phase diagram as a result of ceramics were selected suitable for crystallographic orientation. In the second part, the selected PMN-PZT ceramics are made MnO2-doped to increased hard character for high power application. The following section, it was characterized phase, morphological and crystallographic orientations of single crystal template particles which were used in production of the textured ceramics. Fabricated BaTiO3 (BT) platelets were used in the production of textured PMN-PZT ceramics. The textured ceramics were used for high power application which selected and examined by electrical and electromechanical characterization of the textured ceramics. In the fourth part, High power characterization of textured ceramics was performed and it was determined that textured ceramics perform under high power condition at a competitive level with commercial PZT4 ceramics. In the last part, ultrasonic motor design was achieved, as originally hexagonal stator was done by using finite element method. The prototype ultrasonic motors, which were fabricated by using textured ceramics, could allowed move a rotational and linearly speed of 305 rpm at 74.5 kHz and at 91 kHz.