Yüksek curie sıcaklığına sahip kurşunsuz piezoelektrik seramiklerin üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of high curie temperature lead-free piezoelectric ceramics
Yazar: ELİF BEYZA ZORLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Curie sıcaklığı = Curie temperature ; Dielektrik özellikler = Dielectric properties ; Piezoelektrik = Piezoelectric ; Piezoelektrik seramik = Piezoelectric ceramic

Özet:
Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) ve modifikasyonları yarım asırdan fazla bir süredir bilinen ve en yaygın kullanıma sahip üstün özellikli piezoelektrik malzemelerdir. Ancak içeriğindeki kuşunun (Pb) toksik olması nedeniyle PZT üretimi ve kullanımına sınırlamalar getirilmiştir. Bu nedenle piezoelektrik malzeme araştırmaları son yıllarda kurşun bazlı sistemlere alternatif bulma yönünde yoğunlaşmıştır. Tarihi en az PZT kadar eski olan baryum titanat iyi özelliklerine rağmen oluşacak depolarizasyona bağlı olarak bazı uygulamalarda kullanımını sınırlayan düşük Curie sıcaklığı (Tc) nedeniyle iyi bir alternatif olarak görülmemektedir. Bu çalışmada yüksek Curie sıcaklığına sahip perovskit kristal yapılı kurşunsuz piezoelektrik Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3 (BNT-BT), %0.05 Nb ve %0.05 Ta katkılı Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3 (BNT-BT-NT) ve [(K0.458Na0.542)0.96Li0.04]Nb0.85Ta0.15O3 (KNN-LT) seramiklerin yüksek saflıktaki oksit tozlardan katı hal yöntemiyle üretimi gerçekleştirilmiştir. Ta ve Nb katkısının aşırı tane büyümesini önlediği, Li katkısının da sinterleme sürecinde yoğunlaşmayı kolaylaştırdığı bilinmektedir. Böylece katkılandırmayla üstün fiziksel ve elektriksel özelliklerin elde edilmesi amaçlanmıştır. Faz yapısı X-ışınları kırınımı (XRD) yöntemiyle kontrol edilen perovskit yapılı tozlardan soğuk izostatik presleme (CIP) ile disk şekilli numuneler elde edilmiştir. Bileşime göre 1150-1200°C aralığında sinterlenen numunelerin yüzeyi altın (Au) kaplanarak taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı incelemesi yapılmıştır. Yoğunluk ölçümleri Arşimet yöntemiyle yapılan numunelerde elektrotlama işlemini takiben oda sıcaklığında dielektrik özellikölçümleri LCR-metre ile yapılmıştır. Ayrıca dielektrik özelliklerin frekans ve sıcaklıkla değişimi ve olası faz geçişlerinin tespiti için sıcaklık ünitesine bağlı bir empedans faz analizörü yardımıyla 475°C'ye kadar ve dört farklı frekans değerlerinde (1,10,100,1000 kHz) dielektrik ölçümler yapılmıştır. Ayrıca yüksek voltaj güç kaynağı yardımıyla sıcak yağ banyosunda 110°C'ye ısıtılan numuneler 5000 V'a ulaşan DC gerilim etkisinde kutulama işleminden geçmiştir. Kutuplama sonrası bir d33-metre yardımıyla piezoelektrik yük sabiti ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar KNN esaslı seramiklerde yoğunlaşma problemi nedeniyle BNT-BT esaslı seramiklerin PZT'ye alternatif olma potansiyelinin daha yüksek olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca yapısındaki baryum titanatın varlığına bağlı olarak BNT-BT esaslı kurşunsuz piezoelektrik seramiklerde dielektrik özelliklerin KNN yapılı olanlara kıyasla çok daha yüksek olduğu görülmüştür. KNN esaslı kurşunsuz piezoelektriklerde yoğunlaşma ve kutuplama sürecinde hasar oluşumlarının önlenmesi için çalışmaların sürmesi gereklidir.

Abstract:
For more than a half century, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) and its modifications have been the most commonly known and used piezoelectric materials providing the best properties. However due to the toxicity of lead (Pb) content, synthesis and use of PZT ceramics were started to be regulated in many countries for environmental concerns. For this reason piezoelectric materials research started to focus on finding alternatives to lead-based systems in recent years. Barium titanate is a lead-free piezoelectric as old as PZT but not a good alternative due to its low Curie temperature (Tc) that limits its practical use in many applications since depolarization occurs above Tc. High Curie temperature perovskite type lead-free piezoelectric Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3 (BNT-BT), %0.05 Nb and %0.05 Ta doped Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3 (BNT-BT-NT), and [(K0.458Na0.542)0.96Li0.04]Nb0.85Ta0.15O3 (KNN-LT) ceramics were synthesized by solid state method using high purity oxide powders. Addition of Ta and Nb is known to inhibit abnormal grain growth and Li improves densification during sintering. Thus doping is anticipated to improve the physical and electrical properties. Following perovskite phase verification by X-ray diffraction (XRD) method, cold isostatic pressing was used to obtain disc shaped samples. Samples sintered at the range of 1150-1200°C depending on the composition were then sputter coated with gold (Au) and microstructural analyses were made in a scanning electron microscope (SEM). After the density measurements by Archimedes method, room temperature dielectric properties were measured by LCR-meter in gold electroded samples. Dielectric properties were also measured as a function of frequency (1,10,100,1000 kHz) andtemperature (up to 475°C) by using a broad frequency range impedance phase analyzer integrated with a furnace system. This was also helpful to monitor possible phase transitions that would affect the dielectric and piezoelectric properties. For the piezoelectric measurements samples were also poled in a hot (110°C) silicon oil bath by applying DC field as high as 5000 V. Piezoelectric charge coefficient (d33) values were determined in samples after poling. The obtained results show that BNT-BT based ceramics exhibits higher potential in replacing PZT as KNN based compositions gives lower properties related with poor densification. It should also be pointed out that presence of barium titanate in BNT-BT remarkably increase dielectric properties in comparison to KNN. Further studies should aim to improve the densification of KNN and eliminate possible damages during high field poling.