Investigation of electrical properties of Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr,Ti)O3 (PNN-PZT) ceramics and their device applications

Abstract

Sualtı SONAR sistemleri, medikal görüntüleme sistemleri vb. alanlarda piezoelektrik seramiklerden yararlanılmaktadır. Kurşun Zirkonat Titanat (PZT) görece yüksek özellikleri ve yüksek Curie sıcaklığı ile faklı alanlarda ticari olarak en yaygın şekilde kullanılan bir piezoelektrik kompozisyonudur. Bu çalışmada özellikle pasif sualtı dinleme cihazları, ultrason görüntüleme gibi uygulamalarda kullanılan polikristalin piezoelektrik kompozisyonların geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu tip uygulamalar için ticari olarak en yaygın şekilde bulunan PZT'nin özelliklerini geliştirmek amacıyla farklı kompozisyonlar literatürde araştırılmıştır. Kurşun Nikel- Niyobat (PNN) soft karakteristiğe sahip olup bilinen ilk relaxor ferroelektrik malzemelerden biridir. Bu çalışmada gelişmiş elektriksel özelliklere sahip PNN-PZT kompozisyonunun üretilebilirliği ve yukarıda belirtilen alanlarda kullanılacak cihaz uygulamalarının geliştirilmesi incelenmiştir. Ancak bulk halde üretilen piezoelektrik seramiklerin sualtı uygulamalarındaki performanslarının verimliliği düşüktür. Bu sebeple sualtı cihaz uygulamalarında verimliliği artırmak adına bu kompozisyondan 1-3 bağlantılı piezokompozit üretilmiştir. Fiberler alginate jelleşmesi yöntemi ile üretilmiştir. Elde edilen bu fiberlerden 1-3 bağlantılı piezokompozitler üretilmiştir. Bu çalışma ile PNN-PZT kompozisyonunun üstün elektromekanik özellikleri belirtilmek ve ilk defa alginate jelleşmesi yöntemi ile fiber halinde elde edip, bu fiberleri 1-3 bağlantılı piezokompozit halinde üretmek hedeflenmiştir. Çalışmada Oksitlerin Karışımı(Mixed Oxide) ve Kolümbit Öncül(Columbite precursor) yöntemi karşılaştırılmış ve her iki yöntem için de X-ışınları difraksiyonu sonuçları, Taramalı Elektron Mikrokobu(SEM) görüntüleri ve elektriksel ölçümleri alınmıştır. Ayrıca bu çalışmada PNN-PZT kompozisyonunun Sonlu Elemanlar Yöntemiyle modellenmesi incelenmiştir. Nihai bir aygıt uygulaması olarak içi boş küresel hidrofonlar da bu çalışma kapsamında üretilmiştir.Underwater SONAR (SOund Navigation And Ranging) systems, medical imaging systems etc. use piezoelectric ceramics materials. Lead Zirconate Titanate(PZT) is the most commercially used polycrystalline piezoelectric composition because of its relatively higher properties and higher Curie temperature, utilizing in a wide range of applications. In this study, the objective was to investigate relatively new polycrystalline piezoelectric materials used in some certain applications such as passive underwater listening, ultrasonic imaging. Some compositions in the literature were investigated in order to enhance the properties of the PZT ceramic. Lead Nickel Niobate (abbreviated as PNN) is one of the first known polycrystalline compositions as relaxor ferroelectric. In this study, producibility of PNN-PZT with advanced electrical properties was investigated in order to improve aforementioned device applications. However, bulk piezoceramics have low efficiency in underwater applications. As a result, piezocomposites with 1- 3 connectivity was fabricated. Ceramic fibers were fabricated by alginate gelation route. 1-3 piezocomposites were manufactured from those ceramic fibers. It was aimed to the superior electromechanical properties PNN-PZT composition for these applications, manufacturing of its fibers with alginate gelation route and fabrication of 1-3 piezocomposites from those fibers for the first time. Two different fabrication methods (Mixed Oxide Route and Columbite Precursor Route) were investigated and X-ray diffraction results, SEM images, and electrical measurements were conducted for both routes comparably. Modelling by Finite Element Method of PNN-PZT composition were also investigated in this study. Hollow spherical hydrophones were also fabricated as a final device demonstration.