Kristallografik olarak yönlendirilmiş anizometrik tek kristal piezoelektrik parçacıklara sahip piezokompozitleri temel alan yüksek hassasiyetli dokunsal sensörlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmanın amacı dokunsal sensör uygulamalarında kullanılmak üzere dokulu 0 – 3 piezokompozitlerin dielektrik ve piezoelektrik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla tek kristal ve iğnesel morfolojideki potasyum stronsiyum niyobat KSN – KSr2Nb5O15 şablon parçacıklarının sentezi, yapısal karakterizasyonu, dielektroforesis yöntemi kullanılarak şablon parçacıklarının tercihli yönlenmelerini incelemek ve yönlenme ile piezokompozitin elektriksel özellikleri ve sensör performansı arasındaki ilişkiyi ortaya koymaktır. Tek kristal KSN şablon parçacıklarının üretimi için ergiyik tuz sentezi yöntemi tercih edilmiştir. Ergiyik tuz sentezi yöntemi kullanılarak üretilen KSN şablon parçacıklarının morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) yöntemi kullanılarak tek kristal özellikleri ise geçirimli elektron mikroskobu yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Dielektroforesis yöntemi ile KSN şablon parçacıklarının yönlenmesine ait bilgiler ise X-ışınları kırınımı (XRD) yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Lotgering faktörü hesaplamaları ile tetragonal yapıdaki KSN şablon parçacıklarının c ekseni boyunca yönlendiği teyit edilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda en yüksek Lotgering faktörü değeri 200 Hz frekansta 2 kV/mm'lik elektrik alan uygulanan hacimce %5 KSN şablon parçacıkları içeren piezokompozitlerde 0.83 olarak hesaplanmıştır. Üretilen piezokompozitlerin elektriksel özellikleri ile KSN şablon parçacıklarının yönlenmesi arasında kuvvetli bir ilişki olduğu belirlenmiştir. Dielektroforesis yöntemi kullanılarak üretilen piezokompozitlerin dielektrik, ferroelektrik ve piezoelektrik özelliklerinin dielektroforesis yöntemi ve herhangi bir elektrik alan uygulanmadan üretilen ve iğnesel morfolojideki KSN şablon parçacıklarının rastgele yönelime sahip olan piezokompozitlere göre daha yüksek özelliklere sahip oldukları belirlenmiştir. Dielektroforesis yöntemi kullanılarak üretilen piezokompozitlerin dokunsal sensör uygulamalarında kullanılmak amacı ile yapılan ölçümlerin sonucunda 0 – 3 piezokompozitlerin üretmiş oldukları çıkış voltaj değerlerinin tek kristal KSN şablon parçacıklarının uygulanan elektrik alan sonucunda yönlenmesine bağlı olarak artış gösterdiği belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda tek kristal KSN şablon parçacıklarına sahip dielektroforesis yöntemi kullanılarak üretilen 0 – 3 piezokompozitlerin dokunsal sensör uygulamalarında tercih edilebilecek malzemelerden oldukları belirlenmiştir.

The aim of this study is to synthesize single crystalline potassium strontium niobate KSN – KSr2Nb5O15 template particles with needle morphology in order to improve the dielectric and piezoelectric properties of textured 0 – 3 piezocomposites to be used in tactile sensor applications, to characterize the structural features of the particles, investigate the preferred orientation of the template particles using the dielectrophoresis method, and to establish a correlation between the particle orientation and electrical properties and sensor performance of the piezocomposites. The molten salt synthesis method was preferred for the production of single crystal KSN template particles. The morphology of the KSN template particles produced using the molten salt synthesis method was determined using the scanning electron microscope (SEM) method and their single crystal properties were determined using the transmission electron microscope method. The information regarding the orientation of the KSN template particles with the dielectrophoresis method was obtained using the X-ray diffraction (XRD) method and the Lotgering factor calculations determined that the tetragonal structured KSN template particles were oriented along the c axis. As a result of the experimental studies, the highest Lotgering factor value was calculated as 0.83 in piezocomposites containing 5% KSN template particles by volume oriented under an AC electric field of2 kV/mm with a frequency of 200 Hz. It was determined that there was a strong relationship between the electrical properties of the produced piezocomposites and the orientation of the KSN template particles. It was determined that the dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of the piezocomposites produced using the dielectrophoresis method had higher properties than the piezocomposites produced without applying any electric field and with random orientation of the needle-shaped KSN template particles. As a result of the measurements made for the purpose of using the piezocomposites produced using the dielectrophoresis method in tactile sensor applications, it was determined that the output voltage values produced by 0-3 piezocomposites increased depending on the orientation of the single crystal KSN template particles as a result of the applied electric field. As a result of this study, it was determined that 0-3 piezocomposites produced using the dielectrophoresis method with single crystal KSN template particles are among the materials that can be preferred in tactile sensor applications.