Kurşun içermeyen tungsten bronz yapılı ferroelektrik seramik fibelerde doku oluşumu ve 1-3 kompozitlerin elektriksel karakterizasyonu

Abstract

Bu tez çalışmasında sualtı sonar sistemlerinden, medikal görüntüleme sistemlerine kadar yaygın alanda ticari olarak kullanılan kurşunlu 1?3 piezokompozitlerin yerini alabilecek özellikte alternatif kurşunsuz 1?3 piezokompozit üretimi amaçlanmıştır. Fakat kurşunsuz piezoelektrik seramik alternatiflerin hiç biri doğrudan PZT'ye eşdeğer özellikler sergileyememektedir. Kurşunsuz piezoelektriklere yapılan katkılandırma çalışmaları da bu anlamda yetersiz kalmaktadır. Kurşunsuz piezoelektriklerin özelliklerini iyileştirmek için başvurulabilecek en temel çözüm bu malzemelerin tanelerinin tercihli olarak belirli doğrultularda yönlendirilmesi yoluyla kristalografik bir dokuya (texture) sahip olarak üretilmesidir. Bunun için özgün ve yeni bir yöntem olan alginate jelleşmesi ile literatürde yaygın kullanımı olan şablonlu tane büyütme ilk kez birlikte kullanılarak kurşunsuz piezoelektrik fiberler dokulu bir şekilde üretilmiştir. Bu amaçla potasyum stronsiyum niyobat (KSN) esaslı kurşunsuz piezoelektrik seramik prototip olarak seçilmiştir. İlk aşamada KSN'nin toz ve şablon parçacıkları sentezlenerek ayrıntılı mikroyapı analizleri yapılmıştır. Daha sonra farklı enjektör iğne çaplarından üretilen yaş fiberlere farklı sıcaklık ve sürelerde ısıl işlem uygulanarak şablonlu tane büyütmesi yöntemi uygulanmıştır. SEM ile mikroyapı analizi yapılan fiberlerden 1?3 kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozitlerin içerisindeki fiberlerin doku analizleri Lotgering Factor ve Rocking Curve metotlarıyla yapılarak en yüksek doku oranı % 97 olarak belirlenmiştir. Son olarak dokulu ve rastgele yönlenmiş KSN fiberlerden hazırlanan 1?3 piezokompozitlerin elektriksel ve elektromekaniksel ölçümleri alınmış ve kıyaslanmıştır. Dokuya sahip fiberlerden elde edilen en yüksek kalıcı polarizasyon 12 µC/cm2, piezoelektrik yük sabiti (d33) 75 pC/N ve % gerinimin 0.04'e kadar çıktığı belirlenmiştir.Commercially available lead-containing 1-3 piezocomposites have a wide field of application from underwater sonar systems to medical imaging systems. The objective of this thesis is to fabricate alternative lead-free 1-3 piezocomposites that can replace the commercially available lead-containing ones. However, non of the lead-free alternative piezoelectric ceramics can directly match the properties of PZT. The doping of these compositions have also failed to provide a viable performance. Thus, the main solution to improve the properties and performance of the lead-free piezoelectric seems to be to produce them with a crystallographic texture though preferred grain orientation. A novel and new method called alginate gelation was used for the first time in combination with the well-established templated grain growth method to obtain textured lead-free piezoelectric fibers. Potassium strontium niobate (KSN) based lead free piezoelectric ceramic was chosen as the prototype material for this purpose. In the first stage, KSN powder particles and templates were synthesized and their microstructure was analyzed in details. Then, green fibers were drawn in different diameters using various injector needles and templated grain growth was realized through heat treatments at various temperatures and durations. Microstructural analysis of the fibers was done using SEM, after which 1-3 composites were prepared from the fibers. The texture of the fibers in the composites were analyzed through determination of Lotgering Factor and also through Rocking Curve analysis, and a maximum texture of 97% was obtained. Finally, electrical and electromechanical properties of 1-3 piezocomposites prepared from textured and random KSN fibers were investigated and compared. Piezoelectric charge coefficient of 75 pC/N, remnant polarization of 12µC/cm2 and electric field induced strain of up to 0.04 were obtained from piezocomposites with textured fibers.