Asıltı döküm yöntemiyle üretilen piezoelektrik dönüştürücülerin karakterizasyonu

Abstract

Piezoelektrîk seramik dönüştürücülerde seramik parçanın tasarımı, boyutları ve seçilen seramik bileşimi dönüştürücülerin çalışacağı frekans aralığı ve performansını belirleyen temel parametrelerdir. Plaka, disk, halka gibi basit şekilli PZT seramiklerini presleme ve şerit döküm yöntemleri ile üretmek mümkündür. Ancak bulk PZT seramikler düşük hidrostatik hassasiyete ve yüksek akustik empedansa sahiptirler. Bu durum, seramik-polimer kompozitleri yada içinde hava boşluğu bulunduran dönüştürücüler kullanılarak telafi edilebilmektedir. Piezoelektrîk dönüştürücülerin özellikleri ve performansları dönüştürücülerin şekillerinden etkilenmektedir. Bu bağlamda ince duvar kalınlığına sahip seramik kabuklar, çeşitli kalınlıklardaki seramikler yada karmaşık şekiller kullanarak cihazın performansı artırılması mümkündür. Bu çalışmada, asıltı döküm yöntemi ile içerisinde hava boşluğu içeren ince kabuklu değişik seklerde piezoelektrîk seramik dönüştürücülerin üretimi ve karakterizasyonları çalışılmıştır. Deneysel çalışmalarda, Lockheed Martin ve APC ( American Piezo Ceramic, Ins) firmalarının ürettiği ticari PZT-5A tozları kullanılmıştır. Köpük giderici olarak Sulfynol 104E, plastikleştirici olarak Glycerol ve dağıtıcı olarak Darvan821A kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda, viskozite ve pH ölçümleri ve sedimantasyon deneyleri ile hacimce %35 ve % 45 katı oranına sahip asıltılara ağırlıkça % 0.25 oranında, hacimce % 40 katı oranına sahip asıltılarda ise ağırlıkça % 0.5 oranında dağıtıcı (dispersant) Darvan821A ilavesi ile döküme uygun asıltı elde edilebileceği belirlenmiştir. Üretilecek şekiller için alçı kalıplar hazırlanmış, hacimce % 35 katı oranına sahip asıltılardan değişik şekillerde ince kabuklu, içi boş parçalar üretilmiştir. Parçalar kurumalarından sonra 1285 °C'de kurşun atmosferinde sinterlenmiştir. Sinterlenen parçaların taramalı elektron mikroskobunda mikro yapıları incelenmiş ve yoğun, gözeneksiz bir yapı elde edildiği belirlenmiştir. Üretilen parçalar elektrotlanmış ve parça kalınlıklarına göre uygun elektrik gerilimaltında kutuplan yapılmıştır. Kutuplama öncesi ve sonrası kapasitans ölçümleri ile dielektrik özellikler belirlenmiştir. Kutuplama sonrası aktif hale gelen parçaların karakteristik titreşim rezonans ve antirezonans frekansları; frekans spektrumunda admitans ölçümleri ile belirlenmiştir.Dimension, shape and materials choice are the most basic characteristics of a piezoelectric ceramic transducer determining the device performance. PZT ceramics are usually fabricated in simple shapes, such as plates, disks and rings, using conventional die pressing and tape casting techniques. However, bulk PZT has a low hydrostatic sensitivity and high acoustic impedance. These can be alleviated by using piezoelectric ceramic-polymer composites, or introducing air backing into the transducer structure by using ceramic shapes with hollow spaces. Properties and performance of piezoelectric transducers are also affected from the shape of the transducer. In this regard, using ceramic shells with thin walls or ceramic with varying wall thicness or complex shapes may enhance the device performance. In this study, piezoelectric ceramics were fabricated in the form of thin shell hollow bodies and in various shapes by slip casting technique and fabricated parts were characterized for transducer applications. Lead zirconate titanate ceramic powder, commercially known as PZT-5A, produced by Lockheed Martin and APC (American Piezo Ceramics, Inc) was used in this study. Sulfynol 104E was used as antifoaming agent, Glycerol was used as plasticizer and Davran 821 A was used as dispersant. The optimum dispersent content was determined through viscosity, pH measurements and sedimentation experiments. The best dispersion was obtained with 0.25 wt% Darvan821A addition for slips with 35 vol% and 45 vol% solid loading, and with 0.5 wt% Darvan821A addition for slips with 40 vol% solid loading. Gypsum molds and a slip containing 35% volume per cent solid were used to produce parts in the form of thin shells and with various shapes. After drying, parts were sintered at 1285 °C. Microstructural examinations of sintered parts with Scanning Electron Microscope (SEM) indicated a dense and pore-free microstructure. Produced parts were electroded and poled at 115 °C for 10 min under electric field of 2.5 kV/cm. Dielectric properties were determined before and after poling by measuring the capacitance and dielectric loss. Characteristic resonance and antiresonance frequencies of the parts, which become active after poling, were measured by admittance measurement in frequency spectrum.