BiNaTiO3 ve KNaNbO3 tabanlı piezoelektrik seramiklerde katkılandırmayla değişen sinterleme koşullarının optimizasyonu
Optimization of sintering conditions depending on doping in BiNaTiO3 and KNaNbO3 based piezoelectric ceramics
Yazar: MAHMUD CEMALEDDİN YALÇIN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Bor = Boron ; Dielektrik sabiti = Dielectric constant ; Elektroseramik = Electroceramics ; Piezoelektrik seramik = Piezoelectric ceramic ; Sinterleme = Sintering

Özet:
Günümüz elektronik endüstrisinin pek çok cihazın üretiminde kullanmakta olduğu piezoelektrik malzemelerde ortaya çıkan bir sorun bu tez çalışmasının temel amacını oluşturmaktadır. Son elli yılı aşkın bir süredir bilinen ve üretilen kurşun zirkonat titanat (PZT), kurşun magnezyum niyobat-kurşun titanat (PMN-PT) ve kurşun çinko niyobat-kurşun titanat (PZN-PT) gibi perovskit kristal yapılı katı çözelti formundaki malzemeler üstün piezoelektrik ve ferroelektrik özellikler göstermektedir. Bu özelliklerin sayesinde gerek sivil gerekse askeri alanda pek çok ultrasonik dönüştürücü, SONAR, sensör, aktüatör, yakıt enjektörü ve taramalı elektron mikroskopları için nano-pozisyoner gibi uygulamalarda yaygın kullanım alanı bulan bu malzemelerin tümünün içeriğinde ağ.% 60'ın üzerinde toksik bir ağır metal olan kurşun bulunmaktadır. Teknolojik bakımdan vazgeçilemez olmuş bu malzemelerin üretimleri sırasında yüksek sıcaklıklarda kolayca buharlaşan kurşunun çok ciddi çevre sorunlarına ve insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkilere yol açtığı tespit edilmiştir. Bu nedenle yakın geçmişte piezoelektrik malzeme seçiminde ve üretiminde yegane kriter üstün özelliklerin elde edilmesi iken Avrupa Birliği (EU) ülkelerinde çıkarılan kanunlarla bileşiminde kurşun (Pb) içeren malzemelerin yasaklanmasıyla günümüzde "kurşunsuz piezoelektrik" malzemelerin geliştirilmesi ciddi bir talep görmektedir. Son yıllarda başta PZT olmak üzere kurşun içeren piezoelektrik malzemelere alternatif olarak üretim ve özelliklerin geliştirilmesi üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu malzemeler arasında öne çıkan başlıca iki temel sistem; BiNaTiO3 (BNT) ve KNaNbO3 (KNN) olmuştur. Ancak bu malzemelerin üretimde veya özelliklerde görülen sorunlar henüz tam olarak aşılamamıştır. BNT'de görülen Curie sıcaklığının (Tc) altındaki faz dönüşümü ve KNN'de üretimde yoğunlaşma sıkıntıları, özelliklerin sıcaklığa oldukça bağımlı olması ve stokiyometri kontrolünün alkalilerin buharlaşması nedeniyle zorlaşmasından dolayı bu problemleri aşmak için bazı stratejiler izlenmiştir. Yoğunluk problemlerini aşmada sıcak izostatik presleme (HIP), spark plazma sinterlemesi (SPS) gibi teknikler denenmiş ve başarılı sonuçlar rapor edilmiştir. Ancak bu tekniklerin endüstriyel uygulamalar bakımından ekonomik ve pratik olmadığı da açıktır. Konvansiyonel üretim tekniklerinden vazgeçmeden bileşime katılan katkılarla modifiye edilen sistemler oldukça iyi özellikler sunmaktadır. Bu çalışmanın amacı BNT ve KNN bazlı çevre dostu kurşunsuz piezoelektrik seramiklerin yüksek saflıkta ticari toz hammaddelerden yola çıkarak katı hal yöntemiyle üretimi ve özelliklerinin ölçümüdür. Her iki sistemde de kullanılan katkılar üstün malzeme özelliklerinin sağlanmasında en kritik adım olan sinterleme koşullarını değiştirebilecektir. Bu bakımdan sinterlemede etkin olan termodinamik ve kinetik koşulların optimize edilerek sistematik bilgilerin ortaya konulması amaçlanmaktadır.

Abstract:
A problem existing on piezoelectric materials which today's electronic industry use to manufacture many devices constitutes the main goal of this thesis. Several materials in solid solution form with perovskite structure such as lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) and lead zinc niobate-lead titanate (PZN-PT) that are known and produced over five decades offer excellent piezoelectric and ferroelectric properties. These materials that have a wide range usage for both civilian and military applications such as ultrasonic transducer, SONAR, sensor, actuator, fuel injector and nano-positioner for scanning electron microscope contain lead (Pb) more than 60 percent by weight which is a toxic heavy metal. It has been revealed that lead can evaporate easily during the processing of these technologically essential materials at elevated temperatures and cause both severe environmental and health problems. For this reason, recently lead contained materials have been banned in European Union (EU) countries and current materials selection criteria for piezoelectric include not only superior properties but being environmentally friendliness. Today there is an increased demand for developing "lead-free piezoelectric materials". In recent years, a remarkable effort has been made to produce alternative materials for lead-based piezoelectric materials, especially PZT, and improve their properties. Among these materials, there are two main systems shined up: BiNaTiO3 (BNT) and KNaNbO3 (KNN). However, there are still many challenging problems to overcome on synthesis and improving properties. Some strategies have been pursued to overcome problems such as phase transformation under Curie temperature (Tc) in BNT, poor densification, temperature dependent properties and difficulties in controlling the stoichiometry due to volatility of alkalies in KNN. On the purpose of solving density problems, some techniques such as hot isostatic pressing (HIP), spark plasma sintering (SPS) have been studied and successful results were reported. However, it is clear that those techniques are not economic and practical for industry. Many modified systems with dopants still using conventional techniques offer quite good properties. The purpose of this study is to produce BNT and KNN-based environmental friendly lead-free piezoelectric ceramics using high-purity raw materials via solid-state method and measure their properties. Dopants used in both systems can alter sintering conditions that is the most critical step for obtaining superior material properties. In this respect, it is aimed to reveal systematical results by optimizing both thermodynamic and kinetic conditions taking effect on sintering.