Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Hassan Abbasi,Ali Saidi
محمدحسن عباسي (استاد راهنما) علي سعيدي (استاد راهنما)
 
STUDENT
MOHAMMAD REZA Bafandeh dehaghi
محمدرضا بافنده دهقي

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1387

TITLE

Fabrication, characterization and comparison of properties of sodium potassium niobate-based piezoceramics sintered in conventional and microwave furnace
Piezoceramics because of their electromechanical behavior can be used in many applications such as sensor, actuator and transducer. One of the most important groups of lead-free piezoceramics is based on sodium potassium niobate (KNN) with relatively good piezoelectric properties and high Curie temperature. One of difficulties within fabrication KNN ceramics, which has been postponed their replacement instead of lead-based piezoceramics, is their low sinterability and possibility of alkali elements loss during sintering at high temperatures. Therefore in this study, with the aim improvement of densification behavior of KNN-based compounds, modification and optimization of sintering method were investigated. For this purpose by using solid state reaction, 0.96KNN – 0.04SrTiO 3 powders modified with different amounts (0.0 to 10%) of SrTiO 3 (ST) were prepared and in order to fabricate ceramic samples, sintering was carried out in conventional furnace (either via single step or two-step) as well as microwave furnace. Phase analysis of fabricated ceramics was studied using X-ray diffraction (XRD) and their microstructures were observed by scanning electron microscopy. Dielectric behavior, piezoelectric constant, variation of polarization versus electric field and electric field-induced strain behavior of ceramics were studied. XRD analysis revealed by increasing ST content from 0 to 10%, crystal structure changed from orthorhombic to tetragonal and finally pseudocubic. Density measurement and microstructure investigation of ceramics showed that two-step compared to single step sintering and microwave sintering compared to conventional sintering, decreased sintering temperature, effectively, enhanced densification and improved electric properties. For instant, the maximum piezoelectric constant of single step sintered ceramics was measured 208 pC/N, while by using two-step sintering and microwave sintering it was increased to 278 and 310 pC/N, respectively. The observed improvements of properties were attributed to decrease in alkali elements loss during sintering and reaching finer and more uniform microstructure. The obtained results proved that modification of sintering procedure of KNN-based compounds increase their sinterability considerably and consequently improve their electric properties. Keywords : Piezoceramics; Sintering; Microstructure; Piezoelectricity; Ferroelectric Properties.
چکيده سراميک‌هاي پيزوالکتريک بدليل بروز رفتار الکترومکانيکي کاربردهاي متعددي در زمينه‌هاي گوناگون نظير سنسور، محرک و مبدل دارند. گروه مهمي از پيزوسراميک‌هاي عاري از سرب بر پايه نيوبات سديم پتاسيم ( KNN ) با خواص پيزوالکتريک نسبتا خوب و دماي کوري بالا هستند. يکي از مشکلات توليد سراميک‌هاي KNN که جايگزين شدن آنها به جاي پيزوسراميک‌هاي حاوي سرب را به تاخير انداخته است، سينترپذيري پايين آنها و امکان تبخير عناصر قليايي موجود در ترکيب در حين سينترشدن در دماي بالا است. از اينرو در اين تحقيق با هدف بهبود رفتار متراکم‌شدن ترکيبات بر پايه KNN ، در کنار اصلاح ترکيب شيميايي، اصلاح و بهينه کردن روش سينترکردن نيز مورد بررسي قرار گرفت. بدين منظور با استفاده از واکنش حالت جامد، ترکيبات LiTaO 3 04 / 0- KNN 96 / 0 با مقادير مختلف (از 0 تا 10% مولي) SrTiO 3 (ST) توليد و براي ساخت نمونه‌هاي سراميکي، ترکيبات حاصل در دو نوع کوره يکي معمولي (باپروفيل حرارتي يک مرحله‌اي و دو مرحله‌اي) و ديگري کوره مايکروويو سينتر شدند. آناليز فازي سراميک‌هاي توليدي با استفاده از آزمون پراش پرتو ايکس و بررسي ريز ساختار آنها با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي صورت گرفت. ثابت دي‌الکتريک، ثابت پيزوالکتريک، تغييرات قطبيدگي بر حسب ميدان الکتريکي و رفتار کرنشي نمونه‌ها ناشي از اعمال ميدان الکتريکي نيز مورد بررسي قرار گرفت. آناليز پراش پرتو ايکس نشان داد افزايش ميزان ST از 0 تا 10 درصد مولي موجب تغيير ساختار کريستالي از اورتورمبيک به تتراگونال و نهايتا شبه مکعبي مي‌گردد. با اندازه‌گيري دانسيته و همچنين بررسي ريزساختار سراميک‌هاي توليدي، مشخص گرديد روش سينترکردن دو مرحله‌اي در مقايسه با يک مرحله‌اي و همچنين سينترکردن با مايکروويو در مقايسه با سينترکردن معمولي به ميزان موثري دماي سينترکردن را کاهش مي‌دهد و رفتار متراکم‌شدن و خواص الکتريکي سراميک‌ها را بهبود مي‌بخشد. به‌عنوان مثال حداکثر ميزان ثابت پيزوالکتريک در سراميک‌هاي سينترشده به‌صورت يک مرحله‌اي pC/N 208 اندازه‌گيري شد در حاليکه با استفاده از روش سينترکردن دو مرحله‌اي و روش مايکروويو اين مقدار به‌ترتيب به 278 و pC/N 310 افزايش يافت. بهبود خواص مشاهده شده به کاهش ميزان تبخير عناصر قليايي در حين سينترکردن و حصول ريزساختار متراکم‌تر و يکنواخت‌تر نسبت داده شد. نتايج بدست آمده در اين تحقيق نشان مي‌دهد با اصلاح روش سينترکردن ترکيبات بر پايه KNN مي‌توان به ميزان قابل ملاحظه‌اي سينترپذيري آنها را افزايش داد و در نتيجه خواص الکتريکي سراميک‌هاي توليدي را بهبود بخشيد. کلمات کليدي: پيزوسراميک‌هاي عاري از سرب، سينترکردن، خواص دي‌الکتريک، خواص فروالکتريک، خواص پيزوالکتريک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی