Çevre dostu KNN piezoseramiklerine katkılandırılmanın ve sinterleme atmosferinin etkisi

Abstract

Bu çalışmada, kurşun esaslı piezoelektrik sistemlere alternatif olarak geliştirilmeye çalışılan çevre dostu KNN-KCN bazlı seramiklerin katkılandırma, farklı sinterleme atmosferi ve süreleri denenerek elektriksel özelliklerin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, KNN-KCN seramiklerine % 3 Sb, % 1 Sn veya % 0,8 ZnSn katkıları yapılmıştır. Katkılı ve katkısız seramikler hava veya oksijen atmosferinde 2, 4 ve 6 saat sürelerle sinterlemeye tabi tutulmuşlardır. Bu şekilde yüksek güç uygulamaları için (ultrasonik kesici-deliciler, ultrasonik temizleyiciler, ultrasonik motorlar vs.) KNN esaslı seramiklerin kullanım sırasında ısınma probleminin dielektrik kayıpların düşürülmesi ile çözülmesi amaçlanmıştır. Oksijen ortamında sinterlenen katkılı ve katkısız KNN-KCN seramiklerin yoğunluğunun az da olsa arttığı, dielektrik kayıpların ise yaklaşık % 30-35 oranında azaldığı gözlenmiştir. 6 saat oksijen ortamında sinterlenen numuneler en düşük dielektrik kayıpları göstermişlerdir. Sb katkısı ile hem ortorombik-tetragonal hem de tetragonal-kübik faz geçiş sıcaklıkları yaklaşık 35-40 °C düşmüştür. Diğer numunelerde katkılamaların faz geçiş sıcaklıklarını değiştirmediği görülmüştür. Genel olarak oksijen atmosferinde sinterlenen seramiklerin elektriksel özellikleri artarken, sinterleme süresinin özelliklere önemli bir etkisinin olmadığı gözlemlenmiştir. Seramiklerin empedans spektropskopisi ile Cole-Cole analizleri yapılarak aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır. Analizler sonunda Sb katkısının empedans değerlerini düşürdüğü, Sn ve ZnSn katkısının ise artırdığı tespit edilmiştir. Oksijen ortamında sisterleme ile genel olarak empedans değerlerinin arttığı görülürken, hesaplanan aktivasyon enerjileri ise çok etkilenmemiştir.In this study, environmentally friendly KNN-KCN ceramics, which are being developed as alternatives to lead based piezoceramics, were studied as a function of doping, sintering atmosphere and time to improve their electrical properties. KNN-KCN ceramics were doped with 3 % Sb, 1 % Sn or 0,8 % ZnSn. Doped and undoped ceramics were sintered for 2, 4, or 6 h in air or oxygen atmosphere. The problem of internal heating during service due to dielectric losses especially for high power applications (like ultrasonic drilling, cutting, motors) was studied. Densities of KNN-KCN ceramics sintered in oxygen atmosphere were increased whereas their dielectric losses decreased by 30-35 %. The ones sintered for 6 hours in oxygen atmosphere showed the lowest dielectric losses. The orthorhombic to tetragonal and tetragonal to cubic phase transition temperatures were found to decrease by 35-40 °C with Sb doping. Other dopants did not have any effect on the phase transition temperatures. Generally, electrical properties of ceramics sintered in oxygen atmospehere were found to increase, whereas sintering time did not have any effect. The Cole-Cole analysis were done using impedance phase spectroscopy, from which activation energies were calculated. Sb doping decreased the impedance values but Sn and ZnSn doping increased them. Impedance values increased when sintered in oxygen atmosphere, but the calculated activation energies were uneffected.