Kurşunsuz piezoelektrik seramiklerde elektriksel yaşlanma
Electrical depolarization in lead-free piezoelectric ceramics
Yazar: BİRKIZ DİLEK KARGI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Piezoelektrik seramik = Piezoelectric ceramic ; Seramikler = Ceramics

Özet:
Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) ve modifikasyonları uzun yıllardır kullanılan ve oldukça iyi elektriksel özelliklerinden dolayı tercih edilen piezoelektrik seramiklerdir. Ancak kuşunun (Pb) zehirleyici etkisinden dolayı PZT üretimi ve kullanımına sınırlamalar getirilmiştir. Bu nedenle kurşunsuz ancak özellikleri PZT ile eşdeger malzemeler arayışına girilmiştir. Bu çalışmada perovskit kristal yapılı kurşunsuz piezoelektrik seramiklerin yüksek saflıktaki oksit tozlardan Bi0.5(Na0.75K0.20Li0.05)0.5TiO3 (BNKLT), 0.948(K0.5Na0.5)NbO3-0.052LiSbO3(KNN-LS) ve %1 mol Cu katkılı KNN-LS-Cu (0.948(K0.5Na0.5)NbO3-0.052LiSbO3+%1 mol Cu) katı hal yöntemiyle üretimi gerçekleştirilmiştir. Bakır ilavesinin KNN esaslı seramiklerde karşılaşılan densifikasyon sorununa sinterleme sırasında sıvı faz oluşumu sayesinde çözüm olabileceği ve buna bağlı olarak fiziksel ve elektriksel özelliklerin geliştirileceği düşünülmüştür. Faz yapısı X-ışınları kırınımı (XRD) yöntemiyle kontrol edilen perovskit yapılı tozlardan soğuk izostatik presleme (CIP) ile disk şekilli numuneler elde edilmiştir. Bileşime göre 1040-1200°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 özellik ölçümleri LCR-metre ile yapılmıştır. Ayrıca yüksek voltaj güç kaynağı yardımıyla sıcak yağ banyosunda 110°C'ye ısıtılan numuneler 3-5 kV arasında değişen farklı DC gerilim etkisinde kutuplama işleminden geçmiştir. Kutuplama sonrası bir d33-metre yardımıyla piezoelektrik yük sabiti ölçülmüştür. Kutuplama işlemiyle elde edilen üstün özelliklerin kararlı olması da bu malzemelerin uygulamaları için kritik bir önem taşımaktadır. Çünkü kullanılan elektronik parçalarda kararlılık oldukça önemlidir. Piezoelektrik malzemelerde zamanla oda sıcaklığında depolarizasyona bağlı olarak özelliklerde düşme görülmekte ve bu düşüş ısınmaya bağlı sıcaklık artışıyla daha da artmaktadır. Bu bakımdan bu çalışmada üretilen kurşunsuz sistemlerde depolarizasyon ya da ?yaşlanma? davranışı da incelnmiştir. Kutuplanan numunelerin piezoelektrik ve dielektrik özellik ölçümleri (105 saniyeye kadar) belirli zaman aralıklarında yapılmıs bu şekilde zamana bağlı olarak oluşan depolarizasyon davranışı incelenmiştir. KNN esaslı seramiklerde yoğunlaşma problemine rağmen piezoelektrik özellikler (d33) BNKLT'den daha iyidir. Cu katksının KNN-LS bileşimindeki seramiklerde hem dielektrik hem de piezoelektrik özelliklerde önemli ölçüde artış sağladığı görülmüştür. Yaşlanma davranışı bakımından da KNN esaslı seramikler daha iyi bir performans göstermiştir.

Abstract:
Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) based ceramics have been the most commonly known and used piezoelectric materials providing the best piezoelectric 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. Perovskite type lead-free piezoelectric Bi0.5(Na0.75K0.20Li0.05)0.5TiO3 (BNKLT), 0.948(K0.5Na0.5)NbO3-0.052LiSbO3(KNN-LS), and 0.948(K0.5Na0.5)NbO3-0.052LiSbO3+%1 mol Cu (KNN-LS-Cu) ceramics were synthesized by solid state method using high purity oxide powders in this study. Cu doping is anticipated to improve sintering behavior of KNN based ceramics as a result of liquid phase formation. This would provide a solution to densification problems and thus improve 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. For the piezoelectric measurements samples were also poled in a hot (110°C) silicon oil bath by applying DC from 3 to 5 kV. Piezoelectric charge coefficient (d33) values were determined by a d33-meter in samples after poling. It is critical for many applications that the obtained piezoelectric properties should be retained after the poling process. This is important for the stability of electronic devices. However it is well known that due to depolarization processes piezoelectric properties degrade in time following the poling at room temperature. This effect can be called ?aging? and more pronounced when the materials heat up. Room temperature depolarization or aging behavior were also studied in lead free piezoelectric samples produced in this research. After the poling change in time was monitored both in dielectric and piezoelectric properties up to 105 second. The obtained results show that KNN-LS and Cu doped KNN-LS ceramics exhibits higher piezoelectric properties in comparison to BNKLT based ceramics. Eventhough no improvement in densification is achieved, dielectric constant and piezoelectric coefficient vales remarkably increased in KNN-LS ceramics when doped with 1 % Cu. Aging of piezoelectric properties were also much less in KNN based ceramics.