Kurşun esaslı ve kurşunsuz piezoelektrik seramik fiberlerin üretilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Kurşun esaslı ferroelektrik seramik fiberler sahip oldukları yüksek piezoelektrik özellikler sayesinde medikal görüntüleme, sonar, transducer ve eyleyici uygulamalarında geniş anlamda kullanılırlar. Kurşun esaslı piezoelektrik malzemelerin yerine geçebilecek en ideal malzeme potasyum sodyum niyobat (KNN) olarak gözükmektedir. Bu çalışmada kurşun zirkonat titanat (PZT) fiberlerin sol-jel yöntemi ile üretilmesi ve sodyum potasyum niobat (KNN) fiberlerin daha önce denenmemiş alginate jelleşmesi ile üretilip epoksi ile kompozit oluşturulması ve bu kompozitlerin elektriksel özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. PZT fiber üretiminde homojen bir jel elde etmek amacıyla öncü çözeltiye farklı hacim oranlarında asetik asit ve su ilave edilmiştir. Uygun jelleşme kompozisyonu bulunduktan sonra üretilen fiberlerden fiber/epoksi kompozitler hazırlanmış, elektriksel ve yapısal karakterizasyonu incelenmiştir. KNN fiber hazırlamada ise yapılan asıltının içine eklenen lityum (Li) ve bakır oksit (CuO) katkılandırmalarının fiberlerin elektriksel özelliklerine etkileri incelenmiştir. Yaklaşık dielektrik sabiti 50 civarı olan PZT fiber kompozit numuneler üretilmiştir. Yapılan faz analizlerinde de morfotropik faz sınırında %100 perovskit yapıda fiberlerin eldesi sağlanmıştır. PZT fiber kompozitlerin polarizasyon değerleri ölçüldüğünde ise yaklaşık kalıcı polarizasyon miktarı 2Pr= 0,6 µC/cm2 ölçülmüştür. Elde edilen KNN fiber/kompozitlere yapılan elektriksel karakterizasyonlarda kompozitlerin dielektrik sabitleri yaklaşık kompozit içerisindeki fiber oranına göre 190 civarında hesaplanmıştır. Uygulanan elektrik alan altında, yapılan katkılandırmalarla kompozitlerde %0,14'e varan şekil değişimi gözlemlenmiştir. Buna ek olarak d_33 ve d_33^eff değerleri numuneler için hesaplanmıştır ve sırasıyla 46pC/N ve 308pm/V hesaplanmıştır.

Lead based piezoelectric ceramics have a wide field of application such as medical iamging, sonars, actuators, transducers and sensors due to their excelent piezoelectric properties. The most promising material to replace lead based piezoelectrics is potassium sodium niobate (KNN). The aim of this study is preparation of lead zirconate titanate (PZT) fibers by sol-gel method and KNN fibers by a new and novel alginate gelation method, fabrication of piezocomposites from the fibers and their electrical characterization. Acetic acid and water were added to PZT precursor solution to have a homogenius gel to draw fiber. After determination of the most suitable composition, PZT fibers were drawn and fiber/epoxy composites were prepared and their electrical and structural properties were examined. In the case of KNN fibers, lithium (Li) and copper oxide (CuO) were added to the initial slurry and their effect on the electrical properties were investigated. The X Ray Diffraction patterns of the fibers were exhibited 100% perovskite structure on the morphotropic phase boundary for the both PZT and KNN samples. The PZT fiber composite samples with dielectric constant of approximately 50 were ontained. The remnant polarization of the PZT samples was measured as 2Pr= 0,6 µC/cm2. The electrical characterization exhibited that the dielectric constant for the KNN samples varies according to the fiber ratio, reached up to the 190. KNN samples showed %0,14 strain under the applied electric field with the various additives. For KNN samples d_33 and d_33^eff coefficients were measured as 46pC/N and 308pm/V, respectively.