Kurşun içermeyen BNBT6 piezoelektrik seramiklerin elektriksel özellikleri üzerine Fe2O3, Nb2O5 ve Ta2O5 ilavelerinin etkisinin araştırılması

Abstract

Anahtar Kelimeler: Piezoelektrik, BNBT6, Perovskit, Dielektrik Günümüzde, en çok kullanılan piezoelektrik seramikler kurşun (Pb) içeren perovskit tabanlı ferroelektrik seramiklerdir. Fakat bilindiği üzere kurşun, insan böbreklerine, beyine ve sinir sistemine zarar verebilecek zararlı bir maddedir. Bu sebeple 2003 yılında Avrupa Birliği, piezoelektrik seramik grubundaki en önemli bileşik olan Kurşun Zirkonat Titanat (PZT)' ı daha güvenli alternatifler ile değiştirilmesi gereken tehlikeli bir malzeme olarak tanımlamıştır. Alternatif çalışmalar sonucunda K0,5Na0,5NbO3 (KNN) ve Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) gibi malzemeler keşfedilmiştir. Bu çalışmada, çalışmasında kurşun içermeyen seramikler grubunda bulunan (BNBT100x- 2F / 2FN / 2FT) x = 0.06 piezoelektrik seramiğe Fe2O3 , Ta2O5 ve Nb2O5 katkısının faz dağılımına, mikroyapıya ve elektriksel özelliklere olan etkileri araştırılmıştır. Çalışmada sırasıyla sitokiyometrik olarak belirlenen tozlar karıştırılıp, kurutulmuş ardından kalsinasyon işlemine tabi tutulmuşlardır. Kalsine edilen tozlar tekrardan öğütülerek elenmişlerdir. Elde edilen tozlar granüle edilip 100 MPa basınç ile soğuk preslenmiştir. Pelet olarak hazırlanan numuneler 1150 °C açık atmosferde sinterlenmiştir. BNBT6 piezoelektrik seramikte oluşan fazlar X-Işını Difraktometresi (XRD) analizi ile incelenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak tane morfolojileri incelenmiştir. Molekül veya bileşik yapısında bulunan bağların incelenmesi için Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi (FT-IR) analizi yapılmıştır. Çalışmanın sonuç kısmında uygulamaya dair elde edilen veriler değerlendirilmiştir. Katkılar ile elektriksel özelliklerin iyileştiği görülmüştür. Sadece Fe2O3 ilavesi ile elde edilen dielektrik sabiti Fe2O3 - Ta2O5 ile Fe2O3 - Nb2O5 göre düşük kaldığı tespit edilmiştir. En yüksek dielektrik sabitin ve d33 değerinin Fe2O3 - Nb2O5 katkılaması ile elde edildiği görülmüştür. Sinterleme sonucunda tüm bileşimlerde yoğunluk değeri %93 üzerinde çıkmıştır.

Keywords: Piezoelectric, BNBT6, Perovskite, Dielectric Lead containing perovskite-based ferroelectric ceramics are widely used as piezoelectric materials. Yet, concerning health problems arising from the use of lead that can damage kidney, brain and nervous system hinder its adoption into these systems. Hence, European Union classified Lead Zirconate Titanate (PZT) as a hazardous material in 2003. Recently, KNN and BNT have been synthesized as alternative systems to replace Lead-PZT materials. In this study, the effect of Fe2O3- Ta2O3 and Fe2O3-Nb2O5 doping on the phase distribution and microstructure of lead- free (BNBT100x- 2F / 2FN / 2FT) x = 0.06 piezoelectric ceramics was evaluated. Stoichiometric amount of powders was thoroughly mixed and subjected to calcination heat treatment process. Mixed powders were again milled and sieved. Subsequently the granulated powders were cold pressed at 100 MPa. The pellets were sintered under ambient atmosphere at 1150 C. Phase analysis and grain morphology of the samples were carried out by XRD and SEM analyses respectively. FTIR analysis was performed to analyze the bond structure of the samples. Lastly, evaluation on the practical application of the study was discussed. Our study reveals that Fe2O3 - Ta2O5 and Fe2O3 - Nb2O5 doping further increases the dielectric constant compared to bare Fe2O3 doping. In all compositions, density above %93 were obtained after sintering.