Kurşunsuz knn esaslı piezoelektrik seramiklerden yeni nesil deniz kabuğu dönüştürücülerinin üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Piezoelektrik su altı akustik dönüştürücülerin türü olan esnek gerilmeli (flextensional) dönüştürücüler piezoelektrik seramik ve kabuğun, seramiğin kenarlarından birleştirildiği bileşik bir sistemdir. Sığ sularda (<250 m) kullanılan esnek gerilmeli dönüştürücüler genellikle 1-100 kHz frekans arasında çalışmaktadır. Esnek gerilmeli dönüştürücü gruplarından biri olan Sınıf V esnek gerilmeli dönüştürücüler ise iki metal kabuk arasında piezoelektrik seramik disk içeren sistemden meydana gelmektedir. Piezoelektrik disk malzemesi için genellikle Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) kullanılmaktadır. Fakat son zamanlarda PZT'nin yüksek oranda kurşun içermesi ve sağlığa ve çevreye zararlı olması nedeni ile araştırmacılar kurşunsuz sistemler üzerine yoğunlaşmışlardır. KxNa1-xNbO3 (KNN) esaslı seramikler yüksek Curie sıcaklığına ve PZT ile karşılaştırılabilir derecede elektriksel özelliklere sahiptir. Ancak alkali elemanların yüksek sıcaklıkta buharlaşması nedeniyle düşük sinterleme sıcaklıklarında geleneksel yöntemler ile yoğun KNN seramikleri elde etmek oldukça zordur. Bu tez çalışmasında yoğun bir yapı elde etmek ve piezoelektrik performansı artırmak için, KNN temelli seramikler Li, Ta ve Sb ile katkılanarak üretilmiştir. Stokiyometrik (K0,44Na0,52Li0,04) (Nb0,84Ta0,10Sb0,06) O3 (KNLNTS) kompozisyonu üretmek için Columbite ve Oksitlerin karışımı (mixed oxide) olarak adlandırılan iki farklı üretim yöntemi kullanılmıştır. Üretim yönteminin seramiğin mikroyapısına ve elektriksel özelliklerine etkileri incelenmiştir. Oksitlerin karışımı yöntemi ile üretilen KNLNTS seramiklerine yoğunluğu arttırmak amacı ile %0,25, %0,50 ve %1,00 mol oranlarında bakır oksit (CuO) eklenerek, CuO'in KNLNTS seramiklerinin yapısal ve elektriksel özelliklerine etkileri incelenmiştir. Son olarak esnek gerilmeli dönüştürücü KNLNTS seramikleri kullanılarak üretilmiştir. Sınıf V esnek gerilmeli dönüştürücü grubuna ait yeni nesil, özgün tasarıma sahip esnek gerilmeli dönüştürücü kurşunsuz KNLNTS + %1,00 mol CuO seramikleri ile üretilerek, hava ortamında elektriksel ve su ortamında elektriksel ve akustik ölçümler yapılmıştır.Flextensional transducers, which are the type of piezoelectric underwater acoustic transducers, are a compound system in which piezoelectric ceramic and shell are combined from the edges of the ceramic. Flextensional transducers that are used in shallow waters (<250 m) generally operate in the range of 1-100 kHz frequency. Class V flextensional transducers, one of the flextensional transducer groups, consist of a system containing a piezoelectric disc between two metal shells. Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) is generally used for piezoelectric disc material. However, since PZT contains high levels of lead and is harmful to health and the environment, researchers have been focused on lead-free systems. KxNa1-xNbO3 (KNN) based ceramics have high Curie temperature and electrical properties comparable to PZT, but it is very difficult to obtain dense KNN ceramics by traditional methods at low sintering temperatures due to the evaporation of alkali elements at high temperatures. In this thesis, to obtain dense structure and increase piezoelectric performance, KNN based ceramics are produced by adding Li, Ta, and Sb. Two different production methods called as columbite and mixed oxide were used to produce stoichiometric (K0,44Na0,52Li0,04) (Nb0,84Ta0,10Sb0,06) O3 (KNLNTS) composition. The effects of the production method on the microstructure and electrical properties of ceramics were investigated. To improve the density CuO with a ratio of 0,25, 0,50, and 1,00 mol% was added to KNLNTS ceramics produced by the mixed oxides method, and the effects of CuO on the structural and electrical properties of KNLNTS ceramics were investigated. The flextensional transducer was fabricated using KNLNTS ceramics. The new generation, original design flextensional transducer belonging to the Class V flextensional transducer group was produced with lead-free KNLNTS + 1,00 mol% CuO ceramics and, electrical measurements were done in the air and, electrical and acoustic measurements were done in the water environment.