Kristalografik dokuya sahip BiScO3–PbTiO3 esaslı yüksek sıcaklık piezoelektrik seramiklerin şablonlu tane büyümesi yöntemi ile üretilmesi ve karakterizasyonları
Fabrication and characterization of crystallographically textured BiScO3–PbTiO3 based high temperature piezoelectric ceramics prepared by templated grain growth method
Yazar: SELVA ASTAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKÇA
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Piezoelektrik = Piezoelectric ; Piezoelektrik malzemeler = Piezoelectric materials ; Piezoelektrik seramik = Piezoelectric ceramic

Özet:
Uzay, havacılık, enerji, otomotiv, üretim gibi alanlardaki zorlu yüksek sıcaklık kısıtlamaları nedeniyle algılayıcı, dönüştürücü ve eyleyici uygulamaları için üstün sıcaklık kararlılığına sahip piezoelektrik seramiklere ihtiyaç duyulmaktadır.  Bu tez çalışmasında, üstün performans gerektiren yüksek sıcaklık piezoelektrik uygulamalara (~400°C) yönelik olarak kristalografik dokuya sahip 2,5Bi(Zn0,5Zr0,5)O3−37,5BiScO3−60PbTiO3 (2,5BZZ-37,5BS-60PT) seramikleri şablonlu tane büyümesi yöntemi ile üretilmiş, detaylı özellik ve mikroyapı karakterizasyonları yapılmıştır. Şerit döküm tekniği ile hacimce %1, 3, 5 ve 7 oranındaki <001> yönelimli plakasal BaTiO3 (BT) şablon parçacıkları, 2,5BZZ-37,5BS-60PT matris tozu içerisinde yönlendirildikten sonra 1100-1200°C ve 10-180 dk arasında çeşitli şartlarda hava ortamında sinterlenmiştir. Lotgering faktörü (f)~0,9 olan ve en az %97 göreceli yoğunluğa sahip kristalografik dokulu 2,5BZZ-37,5BS-60PT seramikleri optimum proses parametreleri olan 1100°C'de 3 saat sinterlenerek üretilmiştir. Blok benzeri [001] doğrultusunda yönlenmiş polikristal matris taneleri yanı sıra şablonlu tane büyümesi yöntemindeki mikroyapı açısından alışılmadık ve bu sisteme özgü bir husus olan tek bir şablona temas halinde olan çoklu matris taneleri mikroyapı karakterizasyonlarında ortaya çıkarılmıştır. Bununla birlikte, BT şablonlarının matris içerisinde kimyasal olarak kararlı oldukları ayrıca yapı içerisinde tane sınırlarında yer alan ve segrege olmuş iki çeşit ikincil faz tespit edilmiştir. Rastgele yönlenmeye sahip (f=0) şablon içermeyen ile kıyaslandığında, dokulu seramiklerde ortaya çıkan yüksek orandaki (f>0,9) doku oluşumu sayesinde yüksek Curie sıcaklığından (TC>400°C) ödün vermeksizin dielektrik, piezoelektrik, elastik ve elektromekanik özelliklerde %20 ila %70 arasında artışların olduğu saptanmıştır. Üstelik sıcaklığa bağlı ölçümler 2,5BZZ-37,5BS-60PT sisteminde elektriksel ve elektromekanik özelliklerin yaklaşık 400°C'ye kadar kararlı olduğunu göstermektedir. Tüm bu sonuçlar, üstün özelliklere sahip kristalografik dokulu 2,5BZZ-37,5BS-60PT sisteminin yüksek sıcaklık uygulamaları için umut vaat eden bir piezoseramik olabileceğini göstermektedir.

Abstract:
In the field of aerospace, aeronautic, energy, automotive, production etc., due to the harsh high-temperature limitations, piezoelectric ceramics with superior temperature stability are needed for the sensor, transducer, and actuator applications. In this master thesis, crystallographically textured 2.5Bi(Zn0.5Zr0.5)O3−37.5BiScO3−60PbTiO3 (2.5BZZ-37.5BS-60PT) ceramics were fabricated via templated grain growth method for high-temperature piezoelectric applications, which requires outstanding performance at high-temperatures (~400°C), and detailed property and microstructure characterizations were carried out. 1, 3, 5 and 7 vol% of <001>-oriented plate-like BaTiO3 (BT) templates were aligned in the 2.5BZZ-37.5BS-60PT matrix powder via tape casting and then sintered in air at various conditions between 1100-1200°C for 10-180 min. Crystallographically textured 2.5BZZ-37.5BS-60PT ceramics with a Lotgering factor (f)~0.9 and a relative density higher than 97% were fabricated through sintering at 1100°C for 3 hours, which is optimum process condition. Polycrystalline block-like matrix grains oriented in the [001] together with multiple matrix grains in contact with one template particle were revealed by means of the microstructural characterizations. In addition, the chemical stability of the BT templates in matrix and two types of secondary phases located at grain boundaries and segregated in the structure were detected. It was found that the increase in dielectric, piezoelectric, elastic, and electromechanical properties by 20% to 70% due to high texture (f>0.9) in 2.5BZZ-37.5BS-60PT ceramics in comparison to the random ones (f=0) without a significant decrease in higher Curie temperature (TC>400°C). Furthermore, the temperature-dependent measurements showed that the electrical and electromechanical properties of textured 2.5BZZ-37.5BS-60PT system were stable up to approximately 400°C. These results indicate that the crystallographically textured 2.5BZZ-37.5BS-60PT system can be a promising piezoceramic candidate for high-temperature applications.