Çevre dostu kurşunsuz piezoelektrik seramiklerin üretimi ve kullanım güvenilirliğinin karakterizasyon
Synthesis and reliability characterization of environment friendly lead-free piezoelectrics
Yazar: SERHAT TIKIZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Seramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Piezoelektrik = Piezoelectric ; Piezoelektrik malzemeler = Piezoelectric materials ; Piezoelektrik seramik = Piezoelectric ceramic

Özet:
Piezoelektrik etki 19. yüzyılın sonlarında belirli kristallerde keşfedilmiştir. Ancak, bu etkinin yaygın kullanımı 20. yüzyılın 2. yarısında PZT seramiklerinin veya Pb(Zi,Ti)O3'ün keşfedilmesi ile başladı. Özelikle 20. yüzyılın son çeyreğinde PZT seramikler yüksek performans ve özellikler için çeşitli gelişmiş teknolojik uygulamalarda kullanılmıştır. Ancak çevresel kaygıların artışı ve insan sağlığı üzerindeki bilinçlenme ile, çeşitli ülkelerde kurşunun kullanımıyla ilgili yeni sınırlamalar ve düzenlemeler getirilmeye başlanmıştır. Kurşun, çevre ve sağlık problemlerine yol açan zehirli bir elementtir. Bu yüzden hem PZT'nin üstün özelliklerini gösterebilen hem de kurşun içermeyen yeni piezoelektrik sistemlerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur. Son yıllarda yapılan ileri düzeydeki malzeme araştırmaları hem kurşun miktarının bileşimde azaltılması hem de uzun vadede tamamen elimine edilmesine odaklanılmıştır.Bu amaçla pek çok yeni sistem geliştirilmiştir. Ancak bu sistemlerde önemli bir problem malzemelerin piezo/ferro elektrik özellik ve performanslarının PZT'ye kıyasla düşük olmasıdır. Bunun temel nedenleri sinterleme sürecinde istenen gözeneksiz yapının elde edilmesindeki zorluk ve PZT'de özellikleri artıran morfotropik faz bileşiminin sağlanmayışıdır. En son çalışmalarda, hedeflenen piezoelektrik özelliklerin elde edilemeyişi sorunlarının morfotropik faz alanına sahip sistemlerin seçimiyle PZT'ye benzerlik sağlanarak ve sinterlenme davranışını geliştirmek amacıyla bazı alkali element oksitlerinin katkısıyla çözümü hedeflemiş ve önemli başarılar sağlanmıştır. Bu çalışmada temel olarak literatürde verilen kurşunsuz piezoelektrik kompozisyonlardan Bi0.5Na0.5TiO3(BNT) ve K0.5Na0.5NbO3(KNN) tabanlı sistemler baz alınarak çeşitli katkılarla modifiye edilmek suretiyle yüksek saflıktaki oksit tozlardan üretimi gerçekleştirilmiş ve üstün fiziksel ve elektriksel özelliklerin elde edilmesi amaçlanmıştır. Elde edilen sonuçlar PZT'ye alternatif olabilecek kompozisyonların mümkün olduğunu ve ayrıca mevcut özelliklerin daha da geliştirilme potansiyeline sahip olduğunu ortaya koymuştur.

Abstract:
Piezoelectric effect was discovered in certain crystals in late 19th century. However, common use of this effect in industrial applications started with the discovery of Pb(Zr, Ti)O3 or PZT ceramic in the second half of the 20th century. Especially in the last quarter of the 20th century PZT ceramics were used in many advanced technological applications for their high properties and performance. However with increasing environmental concerns and consciousness on human health new limitations and regulations on the use of lead were started to be introduced in many countries. Lead is a toxic element causing many environmental and health problems.For this reason new systems needed to be developed both possessing compatible properties to PZT and being lead-free. Intensive studies have been focused on developing new piezo/ferro electrics either with reduced lead content or completely lead free. A major problem is however low properties and performance. In recent studies, this issue is dealt with systems possessing morphotropic phase boundary (MPB) very similar to PZT that was a phase boundary separating rhombohedral and tetragonal phases. Also to improve physical properties such as increasing bulk density, sintering behavior of compositions were improved via alkaline element oxide additions. This study basically review the literature on lead-free piezoelectric compositions of Bi0.5Na0.5TiO3(BNT) and K0.5Na0.5NbO3(KNN) systems and possibilities of increasing their electrical properities with several strategies such as sintering additives and microstructure control. Electrical characterization study results indicate better piezo/ferro electric properties providing new potentials in synthesized systems to be used in applications as an alternative to toxic Pb-containing PZT.