Bakır oksit ve lityum oksit katkılı kurşunsuz piezoelektrik potasyum sodyum niyobatın elektriksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Kurşun esaslı piezoelektrik seramikler mükemmel piezoelektrik ve ferroelektrik özellikleri nedeniyle algılayıcı, eyleyici ve dönüştürücü olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, kurşun esaslı seramikler elektrik alan ile indüklenen gerinimlerinin yüksek olması nedeniyle elektromekaniksel eyleyici uygulamaları için önemlidir. Ancak, kurşun esaslı seramikler çevresel problemlere neden olur ve insan sağlığını tehdit eder. Günümüzde artan çevresel farkındalık nedeniyle kurşunsuz piezoelektrik seramikler yoğun olarak araştırılmaktadır. Kurşunsuz piezoelektrik malzemeler arasından potasyum sodyum niyobat (KNN) PZT ile kıyaslanabilir piezoelektrik özellikleri, yüksek Curie sıcaklığı, yüksek elektromekaniksel bağlaşma katsayıları nedeniyle en iyi adaylardan biridir. Bu çalışmada, katkısız KNN, % 0,5 mol CuO, % 1,0 mol CuO, % 7 Li katkılı KNN (KL) ve (K0,465,Na0,465)NbO3+%1,0 mol CuO (KLC) seramikler geleneksel sinterleme yöntemi ile hazırlandı. Katkısız KNN, % 0,5 mol, % 1,0 mol CuO katkılı örnekler sırasıyla 1100oC, 1090oC, 1070oC'de 4 saat sinterlendi. KL seramikler ise 1070oC'de 4 saat, 1090oC'de 1 saat ve KLC seramikler 1070oC'de 4 saat sinterlendi. Katkısız KNN, % 0,5 mol CuO, % 1,0 mol CuO ve 1090oC'de 1 saat sinterlenen örneklerin faz analizleri örneklerin ortorombik perovskit yapıda saf olarak elde edildiğine işaret etmektedir. Ancak, 1070oC'de 4 saat sinterlenen KL ve KLC örnekler perovskit yapıda payroklor faz içerir. CuO katkısı ile Curie sıcaklığı azalmasına rağmen, Li katkılı örneklerde Curie sıcaklığı artmıştır. Katkısız KNN, % 0,5 mol CuO katkılı ve KL örnekleri tek bir ferroelektrik P-E histerisis eğrilerine sahiptir. % 1,0 mol CuO katkılı KNN ve KLC örneklerin histerisis eğrileri ise antiferroelektrik benzeri çift histerisis davranışı göstermiştir. % 1,0 mol CuO katkılı örnekte geri kazanılabilir gerinim yaklaşık % 0,11'dir. KL örneklerinde ise, 50 kV/cm elektrik alanda % 0,10'a ulaşmıştır.

Lead-based piezoelectric ceramics are widely used in sensors, actuators and transducers due to their excellent piezoelectric and ferroelectric properties. Moreover, owing to their high electric field induced strain, lead-based materials are also important for electromechanical actuator applications. However, lead based-ceramics have caused environmental problems and threatened human health. Thus, lead-free piezoelectric ceramics are being investigated intensely due to the increasing environmental awareness. Among various lead free piezoelectric materials, ceramics based on potassium sodium niobate (KNN) are one of the best candidates because of their high piezoelectric properties comparable to PZT, high Curie temperature (~420oC) and large electromechanical coupling coefficients. In this study, pure KNN, 0.5 % and 1.0 % CuO added KNN, 7 % Li doped KNN (KL) and (K0.465,Na0.465)NbO3+1.0 mole % CuO (KLC) were prepared through conventional sintering methods. Pure KNN, 0.5 mole and 1.0 mole % CuO-added samples were sintered at 1100oC, 1090oC and 1070oC for 4 h, respectively. On the other hand 7% Li modified samples were sintered at 1070oC for 4 h and 1090oC for 1 h. Phase analysis indicated that pure ortorhombic perovskite phase was obtained in the pure KNN, 0.5 mole %, 1.0 mole % CuO-added samples. However, samples sintered at 1070oC for 4 h showed pyrochlore phase in addition to the perovskite structure. Although Curie temperature was decreased with CuO addition, it was increased in the case of Li doped samples. Pure, 0.5 mole % CuO and KL samples exhibit single ferroelectric P-E curves, whereas in the 1.0 mole % CuO added and KLC samples an antiferroelectric-like double hysteresis loop was observed. A fully recoverable electrostrain of approximately 0.11 % was obtained in 1.0 mole CuO- added sample, whereas the strain levels approached 0.10% at 50 kV/cm electric field in the case of Li modified sample.