Sinterleme yardımcısı cuo katkısının stokiyometrik olmayan [Na0,5Bi0,5TiO3]0,75-[Sr1-xTiO3-x]0,25 seramiklerinin özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation the effects of sintering aid cuo addition on the properties of non-stoichiometric [Na0,5Bi0,5TiO3]0,75-[Sr1-xTiO3-x]0,25 ceramics
Yazar: GÜLBENİZ YALDIZ İNCE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA YUNUS KAYA
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Piezoelektrik = Piezoelectric ; Seramikler = Ceramics

Özet:
Elektroseramik malzemeler, algılayıcılar, devre altlıkları, eyleyiciler enerji hasadı, enerji depolama, dönüştürücüler ve elektrik motorlar gibi çeşitli uygulama alanlarına sahip özel bir malzeme sınıfını temsil eder. Bu malzeme sınıfı içerisinde yer alan üstün elektriksel ve elektromekanik özellikler sergileyen piezoelektrik/ferroelektrik seramikler içerdikleri kurşun nedeniyle çevre ve insan sağlığı için potansiyel bir tehdit oluşturmaktadır. Buna istinaden kurşun içerikli seramik bileşimlerinin kullanımları çeşitli yasal düzenlemeler ile kısıtlanmaktadır. Bu seramik bileşimlerine alternatif olabilecek kurşun içermeyen elektroseramiklerin araştırılması ve geliştirilmesi oldukça yoğun bir şekilde yapılmaktadır. Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (Na0.5Bi0.5TiO3-NBT) esaslı elektroseramikler sahip oldukları özellikler nedeniyle potansiyel bir malzeme olarak öne çıkmaktadır. 
Bu tez çalışmasında; NBT esaslı seramik bileşimi stronsiyum ile modifiye edilerek [Na0,5Bi0,5TiO3]0,75-[Sr1-xTiO3-x]0,25 (x=0,25) kimyasal formülünce katı hal kalsinasyon yöntemiyle sentezlenmiştir. Sentez aşamasını takiben, stok tozlara sinterlemede yoğunlaşmaya yardımcı olmak amacıyla farklı mol oranlarında (%0-1,5) bakır oksit (CuO) katkısı yapılmıştır. Katkılama sonrasında tozlara organik bağlayıcı eklenerek granüle edilmiş ve tek eksenli pres yardımıyla disk formunda şekillendirilmiştir. 1175 °C, 1200 °C, 1225 °C, 1250 °C sıcaklıklarında 4 saat sinterlendikten sonra seramiklerin faz oluşumu, mikro yapı, yoğunluk ve elektriksel özellikler bakımından incelenmiştir. 
Kalsinasyon sonrası X-ışınları kırınımı (XRD) analizleri sonucunda saf perovskit fazın oluştuğu saptanmıştır. Artan CuO katkısı ve sinterleme sıcaklığına bağlı olarak °-28° ve 34°-35° açılarında ikincil faz varlığı tespit edilmiştir. Gözenek dağılımı homojendir ve tane içi kırılma davranışı gözlenmiştir. En yüksek yoğunluk oranı %99 teorik yoğunluk değeriyle %0,5 Cuo katkısına sahip seramiklerde 1200 °C sıcaklığında sinterleme sonrası elde edilmiştir. Sıcaklığa bağlı dielektrik sabiti ölçümlerinde faz dönüşümüne işaret eden pik davranışı 141 °C itibariyle gözlenmiştir. Dielektrik kayıp (tand) 0,15 değerinden daha düşüktür. Oda sıcaklığında dielektrik sabiti (K) 1 kHz frekansında 1628 değerinde hesaplanmıştır. Curie sıcaklığı katkı oranına bağlı olarak 293 °C-305 °C aralığında ölçülmüştür.  Elektrik alan etkili polarizasyon grafikleri oda sıcaklığında standart ferroelektrik davranışa işaret ettiği gözlenmiştir. Artan CuO katkı oranına bağlı olarak gelişen A.C. iletkenlik nedeniyle histerislerde kaybın arttığı saptanmıştır.

Abstract:
Electroceramic materials represent a specialized class of materials with various applications, including sensors, circuit substrates, actuators, energy harvesting, energy storage, converters, and electric motors. Within this material class, piezoelectric/ferroelectric ceramics exhibiting superior electrical and electromechanical properties pose a potential threat to the environment and human health due to the lead content they contain. Consequently, the use of lead-containing ceramic compositions is restricted by various legal regulations. Intensive research and development efforts are underway to explore lead-free electroceramics as alternatives, with Lead-Free Sodium Bismuth Titanate (Na0.5Bi0.5TiO3-NBT) electroceramics emerging as potential materials due to their unique properties.

In this thesis study, the NBT-based ceramic composition was modified with strontium, resulting in the synthesis of [Na0.5Bi0.5TiO3]0.75-[Sr1-xTiO3-x]0.25 (x=0.25) through the solid-state calcination method. Following the synthesis stage, copper oxide (CuO) was added to the powders in different mole ratios (0-1.5) to aid in densification during sintering of the stock powders. After the addition of binders, the powders were granulated and shaped into disk forms using a uniaxial press. The ceramics were then sintered for 4 hours at temperatures of 1175 °C, 1200 °C, 1225 °C, and 1250 °C, and their phase formation, microstructure, density, and electrical properties were examined.

Post-calcination X-ray diffraction (XRD) analyses confirmed the formation of a pure perovskite phase. Secondary phase presence at 2θ angles of 27°-28° and 34°-35° was detected depending on the increasing CuO content and sintering temperature. Pore distribution was homogeneous, and intragranular fracture behavior was observed. The highest density ratio, reaching 99% of the theoretical density, was achieved in ceramics with 0.5% CuO content sintered at 1200 °C. Temperature-dependent dielectric constant measurements revealed a peak behavior indicates phase transformation starting at 141 °C. The dielectric loss (tand) was lower than 0.15. At room temperature, the dielectric constant (K) was calculated to be 1628 at a frequency of 1 kHz. The Curie temperature was measured in the range of 293 °C to 305 °C depending on the doping ratio. Electric field-induced polarization graphs at room temperature indicated standard ferroelectric behavior. It was observed that as the CuO content increased, hysteresis losses increased due to the development of A.C. conductivity.