Kristalografik dokuya sahip [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]- [PbTiO3] piezoelektrik seramiklerin üretimi, karakterizasyonu ve enerji hasatı uygulamaları

Abstract

Enerji hasatı (EH) uygulamaları uzun yıllardır çalışılmasına rağmen akıllı sistemler için nasıl tasarlanacağı yeni bir teknolojidir. Son yıllarda, aktif bir araştırma alanı olan enerji hasatı aygıtları özellikle giyilebilir ürünlerde, askeri ya da sivil mobil ve telsiz elektronik cihazlarda, kablosuz algılayıcı ağları gibi birçok uygulama alanında karşımıza çıkmaktadır. Kablosuz algılayıcı ve mikro-elektro-mekanik sistemlerdeki (MEMS) son gelişmeler, enerji hasatı uygulamalarının geleneksel bataryalara alternatif olabileceğini göstermektedir. Piezoelektrik malzemeler mekaniksel etkiyi elektrik sinyale dönüştürdüğü için enerji hasatı aygıtlarına entegre edildiğinde kablosuz algılayıcı sistemlere (RF-ID) güç sağlaması bakımından önemlidir. Enerji hasatı tasarımlarında yapılan çalışmalar sonucu EH uygulamaları için alternatif olarak literatürde kalın film olarak da adlandırılan ince plakalar, ince filmler ve kütlesel formdaki malzemeler arasındaki boşluğu doldurmaları bakımından önemlidir. Bu noktada tek kristaller de tercih edilmektedir. Fakat yüksek üretim maliyetleri ve homojenizasyon sorunu sebepleri ile uygulamaya konulmaları zordur. Son dönemlerde, tanelerin tercihli olarak belirli doğrultularda yönlendirilmesi ile kristalografik doku (texture) kazandırılarak üretilen seramikler pahalı bir alt yapı gerektirmeden tek kristaller ve ticari kurşun zirkonat titanat (Pb(Zr,Ti)O3- PZT) ile yarışabilecek üstün özellikler sergilemeleri bakımından dikkat çekmektedir. Bu tez çalışmasında, elektriksel özellikleri geliştirilen kurşun temelli bir katı eriyik olan 0,675Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0,325PbTiO3 (PMN-PT) katı eriğinin dokulu ve plaka şeklinde (200-1000 mikron aralığında) üretilmesi ile elde edilen seramikler kullanılarak, farklı enerji hasatı tasarımları yapılmıştır. EH cihaz uygulamalarının dokulu malzemeden yapılacak olması bu doktora çalışmasını özgün yanıdır. Diğer özgün yanı ise dokulu seramiklerin standart özelliklerinin ortaya konmasıdır. Bu doktota tezinden iki SCI makale yayınlanmış ve çalışma çerçevesinde bir TÜBİTAK 1002 projesi tamamlanmıştır.Although energy harvesting (EH) applications have been studied for many years, the question of designing them for smart systems is a rather new technology. In recent years, energy harvesting devices have become a popular field of research especially in wireless sensor networks, wearable products, military or civilian mobile and wireless electronic devices (with high power input at low frequencies). Recent developments in wireless sensors and micro-electro-mechanical systems (MEMS) indicate that energy harvesters can become an alternative to traditional batteries. Since piezoelectric materials convert mechanical energy into electrical signals, they gain importance for powering the wireless sensor systems (RF-ID) when they are integrated into energy harvesters. In recent years, ceramics fabricated with a crystallographic texture by preferentially orienting the grains in certain orientations, have attracted attention due to their superior properties that can compete with single crystals and commercial lead zirconate titanate (Pb(Zr,Ti)O3 -PZT) without requiring an expensive infrastructure . In addition, using templated grain growth and tape casting methods, textured ceramics with millimeter thickness can be successfully produced. In this thesis; 0,675Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0,325PbTiO3 (referred to as PMN-PT) piezoceramics, which was a lead-based solid solution with improved electrical properties, will be fabricated in thin plate form, and then energy harvesting designs was be realized. Designing and fabricating an EH device based on a textured piezoceramic is the original aspect of this thesis. Additionly, the thesis did not only contribute to the literature in terms of an application of thin textured ceramics, it was also contribute to the economy through development of potential devices. It was yet another objective of the project to present the standard electrical properties of the textured materials. Two SCI papers were published in this thesis and a TÜBİTAK 1002 project was completed.