Silindirik kabuk formunda piezoelektrik dönüştürücülerin asıltı dökümle üretimi, karakterizasyonu ve sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Fabrication and characterisation of piezoelectric ceramic transducers with cylindrical shell form using slip casting method and their analysis by finite elements method
Yazar: MUHAMMET BOZ
Danışman: PROF. DR. SEDAT ALKOY
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering

Özet:
Tez çalışması kapsamında silindirik formda dönüştürücülerin tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Parça geometrisinin rezonans frekansı üzerinde etkisi incelenmiş, ayrıca 70 kHz frekansta çalışan, halihazırda uygulaması olan su altı dönüştürücü uygulamalarına alternatif bir tasarım ortaya konmuştur. ATILA sonlu elemanlar analiz programı ile ön tasarımları yapılmış ve sonuçları hesaplanmıştır. Asıltı döküm yöntemi ile, PZT-4 piezoseramik tozu kullanılarak üretim gerçekleştirilmiştir. Öncelikle kararlı bir asıltı reçetesi ortaya koymak için toz ve dağıtıcı miktarının viskozite üzerindeki etkisi incelenmiştir. Daha sonra sedimentasyon testleri ile uygun toz ve dağıtıcı oranları belirlenmiştir. Zeta potansiyel ölçümü yapılarak asıltının kararlı olması için uygun pH değeri belirlenmiştir. Yapılan asıltı stabilizasyon çalışmaları neticesinde belirlenen reçeteye uygun olarak asıltı hazırlanıp dökümler gerçekleştirilmiştir. Dökümleri tamamlanan ham seramikler kurutulduktan sonra 1260 °C'de 4 saat süreyle sinterlenmiştir. Sinterlenen numunelerden SEM görüntüleri alınıp mikroyapıları incelenerek yeterince yoğunlaştığı görülmüştür. Numunelerin kenarlarını düzeltmek ve uygun boyutlara getirmek için zımparalama yapılmıştır. 29,4 mm çapa, 15mm, 19 mm ve 23 mm yüksekliklere sahip iki tarafı açık silindirler; 10 mm çapa ve 22 mm yüksekliğe sahip bir tarafı kapalı silindir olmak üzere 4 farklı geometride numune hazırlanmıştır. Ardından iç ve dış yüzeyleri gümüş elektrot kaplanarak 600 °C'de 30 dakika süreyle gümüş pişirme işlemi yapılmıştır. İç ve dış elektrotlarına kablo bağlantıları yapıldıktan sonra 22 kV/cm elektrik alan altında radyal olarak kutuplanan numuneler, 24 saat süreyle bekletilip frekansa bağlı admitans ölçümleri alınmış, rezonans frekansları ve titreşim modları belirlenmiştir. Bir tarafı kapalı olarak üretilen silindirik numunelerden tekli ve yedili dizin halinde poliüretan kaplamaları yapılmış ve su altında ölçümleri alınarak performansları ortaya konmuştur.

Abstract:
The design, production and characterization of cylindrical form transducers were carried out within the scope of the thesis study. The effect of the part geometry on the resonance frequency has been investigated, and an alternative design to the underwater transducer applications currently operating at a frequency of 70 kHz has been presented. Preliminary designs were made with ATILA finite element analysis program and the results were calculated. Production was carried out by using PZT-4 piezoceramic powder with the slip casting method. First of all, the effect of powder and dispersant amount on viscosity was investigated to produce a stable slip formula. Then, appropriate powder and dispersant ratios were determined by sedimentation tests. By measuring the zeta potential, the appropriate pH value was determined for the slip to be stable. As a result of the slip stabilization studies, the slip was prepared and castings were made in accordance with the formula determined. After casting and drying, the green ceramics were sintered at 1260 °C for 4 hours. SEM images of the sintered samples were taken and their microstructures were examined, and it was observed that it has densified enough. The specimens are sanded to smooth their edges and bring them to proper size. Cylinders fabricated in 4 different geometries: One of them is closed by one side and has 10 mm diameter and 22 mm height. Three of them opened by both sides and each of them has 29,4 mm diameter and 15 mm, 19, mm, 23 mm heights. Then, the inner and outer surfaces were coated with silver electrodes and silver firing was carried out for 30 minutes at 600 °C. After the cable connections were made to the inner and outer electrodes, the samples that were radially polarized under an electric field of 22 kV/cm were kept for 24 hours and frequency dependent admittance measurements were taken, and their resonance frequencies and vibration modes were determined. Single and seven element arrays by one side closed cylindirical samples were coated with polyurethane their performance was demonstrated by taking measurements under water.