Antiferroelektrik seramiklerin yüksek enerji yoğunluğuna sahip kapasitör ve elektrokalorik uygulamalar için incelenmesi
Investigation of antiferroelectric ceramics for high energy density capacitor and electrocaloric applications
Yazar: NAMIK KEMAL GÖZÜAÇIK
Danışman: PROF. DR. SEDAT ALKOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Üstün özelliklere sahip olan lantan katkılı kurşun zirkonat titanat (PLZT) seramikler piezoelektrik ve elektro-optik uygulamalar için oldukça popülerdir ve akıllı sensörlerde, optik işleme cihazlarında çokça kullanılmaktadır. Elektrik alan kaynaklı faz geçişi ve kompozisyon ile kontrol edilebilen elektriksel özellikler de sergileyen PLZT ve lantan katkılı kurşun zirkonat stanat titanat (PLZST) gibi antiferroelektrik seramik malzemeler, yüksek güçte enerji depolama cihaz uygulamalarında ve soğutma cihazlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek piezoelektrik ve ferroelektrik özellikleri nedeniyle bizmut sodyum titanat (BNT) esaslı piezoelektrik seramikler, kurşun esaslı piezoelektrik seramiklere alternatif olarak araştırılmıştır. Bizmut sodyum titanat -bizmut potasyum titanat-baryum titanat (BNT-BKT-BT) üçlü seramik sistemi, BNT-BT veya BNT-BKT gibi diğer BNT esaslı seramiklerle kıyaslandığında yüksek piezoelektrik özellik, depolarizasyon/Curie sıcaklığı ve düşük kalıntı polarizasyon nedeniyle enerji depolama uygulamalarında çok daha fazla ön plana çıkmıştır. Bu tez çalışmasında, farklı oranlarda lantan katkılı PLZT ve farklı nadir toprak elementleri katkılı BNT-BKT-BT (BNKBT) seramikler katı hal reaksiyonu yöntemi ile üretilmiş, yapısal ve elektriksel karakterizasyonlar gerçekleştirilerek yüksek enerji yoğunluğuna sahip kapasitör ve elektrokalorik uygulamalar için incelenmiştir. PLZT seramiklerde, molce %8 La katkılaması ile birlikte relaksör ferroelektrik karakter baskın hale gelmiştir. Nadir toprak elementi katkılaması, BNKBT seramiklerde yüksek enerji yoğunluklu kapasitör uygulamaları için geri kazanılabilir enerji yoğunluğunu (Wre) arttırmada oldukça başarılı olmuştur. Molce %1 Nd katkılı seramikte katkısız seramiğe kıyasla beş kat daha yüksek Wre elde edilmiştir. En yüksek elektrik alan kaynaklı gerinim seviyeleri, molce %0,5 Gd ve %1 Ce katkılı BNKBT seramiklerde 65 kV/cm'de sırasıyla %0,58 ve %0,35 olarak ölçülmüştür. En yüksek geri kazanılabilir enerji yoğunlukları, molce %1 Nd ve %1 Ce katkılı BNKBT seramiklerde 65 kV/cm'de sırasıyla 0,64 J/cm3 ve 0,54 J/cm3 olarak hesaplanmıştır. En yüksek elektrokalorik sıcaklık değişimi (ΔTmax), molce %8 La katkılı PLZT seramikte 60 kV/cm'de 1,15 K olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Lanthanum doped lead zirconate titanate (PLZT) ceramics with superior properties are very popular for piezoelectric and electro-optical applications and are widely used in smart sensors and optical processing devices. Antiferroelectric ceramic materials such as PLZT and lanthanum doped lead zirconate stannate titanate (PLZST), which also exhibit electric field-induced phase transition and composition-controllable electrical properties, are widely used in high-power energy storage device applications and cooling devices. Due to their high piezoelectric and ferroelectric properties, bismuth sodium titanate (BNT)-based piezoelectric ceramics have been investigated as an alternative to lead-based piezoelectric ceramics. Bismuth sodium titanate-bismuth potassium titanate-barium titanate (BNT-BKT-BT) ternary ceramic system stands out more in energy storage applications due to its high piezoelectricity, depolarization/Curie temperature and low remnant polarization compared to other BNT-based ceramics such as BNT-BT or BNT-BKT. In this thesis, different ratios of lanthanum doped PLZT and different rare earth elements doped BNT-BKT-BT (BNKBT) ceramics were fabricated by solid-state reaction method, and investigated for high energy density capacitor and electrocaloric applications by carrying out structural and electrical characterizations. In PLZT ceramics, the relaxor ferroelectric character became dominant with 8 mol% La doping. Rare earth element doping has been quite successful in increasing the releasable energy density (Wre) for high energy density capacitor applications in BNKBT ceramics. Five times higher Wre was obtained in 1 mol% Nd doped ceramic, when compared to undoped ceramic. The highest electric field-induced strain levels were measured as 0.58% and 0.35% at 65 kV/cm for 0.5 mol% Gd and 1 mol% Ce doped BNKBT ceramics, respectively. The highest releasable energy densities were calculated as 0.64 J/cm3 and 0.54 J/cm3 at 65 kV/cm for 1 mol% Nd and 1 mol% Ce doped BNKBT ceramics, respectively. The highest electrocaloric temperature change (ΔTmax) was calculated as 1.15 K at 60 kV/cm for 8 mol% La doped PLZT ceramic.