Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Hassan Abbasi,Ali Saidi
محمدحسن عباسی (استاد راهنما) علی سعیدی (استاد راهنما)
 
STUDENT
MOHAMMAD REZA Bafandeh dehaghi
محمدرضا بافنده دهقی

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.
سرامیک‌های پیزوالکتریک بدلیل بروز رفتار الکترومکانیکی کاربردهای متعددی در زمینه‌های گوناگون نظیر سنسور، محرک و مبدل دارند. گروه مهمی از پیزوسرامیک‌های عاری از سرب بر پایه نیوبات سدیم پتاسیم ( KNN ) با خواص پیزوالکتریک نسبتا خوب و دمای کوری بالا هستند. یکی از مشکلات تولید سرامیک‌های KNN که جایگزین شدن آنها به جای پیزوسرامیک‌های حاوی سرب را به تاخیر انداخته است، سینترپذیری پایین آنها و امکان تبخیر عناصر قلیایی موجود در ترکیب در حین سینترشدن در دمای بالا است. از اینرو در این تحقیق با هدف بهبود رفتار متراکم‌شدن ترکیبات بر پایه KNN ، در کنار اصلاح ترکیب شیمیایی، اصلاح و بهینه کردن روش سینترکردن نیز مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور با استفاده از واکنش حالت جامد، ترکیبات LiTaO 3 04 / 0- KNN 96 / 0 با مقادیر مختلف (از 0 تا 10% مولی) SrTiO 3 (ST) تولید و برای ساخت نمونه‌های سرامیکی، ترکیبات حاصل در دو نوع کوره یکی معمولی (باپروفیل حرارتی یک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای) و دیگری کوره مایکروویو سینتر شدند. آنالیز فازی سرامیک‌های تولیدی با استفاده از آزمون پراش پرتو ایکس و بررسی ریز ساختار آنها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی صورت گرفت. ثابت دی‌الکتریک، ثابت پیزوالکتریک، تغییرات قطبیدگی بر حسب میدان الکتریکی و رفتار کرنشی نمونه‌ها ناشی از اعمال میدان الکتریکی نیز مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز پراش پرتو ایکس نشان داد افزایش میزان ST از 0 تا 10 درصد مولی موجب تغییر ساختار کریستالی از اورتورمبیک به تتراگونال و نهایتا شبه مکعبی می‌گردد. با اندازه‌گیری دانسیته و همچنین بررسی ریزساختار سرامیک‌های تولیدی، مشخص گردید روش سینترکردن دو مرحله‌ای در مقایسه با یک مرحله‌ای و همچنین سینترکردن با مایکروویو در مقایسه با سینترکردن معمولی به میزان موثری دمای سینترکردن را کاهش می‌دهد و رفتار متراکم‌شدن و خواص الکتریکی سرامیک‌ها را بهبود می‌بخشد. به‌عنوان مثال حداکثر میزان ثابت پیزوالکتریک در سرامیک‌های سینترشده به‌صورت یک مرحله‌ای pC/N 208 اندازه‌گیری شد در حالیکه با استفاده از روش سینترکردن دو مرحله‌ای و روش مایکروویو این مقدار به‌ترتیب به 278 و pC/N 310 افزایش یافت. بهبود خواص مشاهده شده به کاهش میزان تبخیر عناصر قلیایی در حین سینترکردن و حصول ریزساختار متراکم‌تر و یکنواخت‌تر نسبت داده شد. نتایج بدست آمده در این تحقیق نشان می‌دهد با اصلاح روش سینترکردن ترکیبات بر پایه KNN می‌توان به میزان قابل ملاحظه‌ای سینترپذیری آنها را افزایش داد و در نتیجه خواص الکتریکی سرامیک‌های تولیدی را بهبود بخشید. کلمات کلیدی: پیزوسرامیک‌های عاری از سرب، سینترکردن، خواص دی‌الکتریک، خواص فروالکتریک، خواص پیزوالکتریک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی