Olağandışı Koşullarda Çalışan Kompakt Cihazlar Için Yeni Nesil Soğutma Aygıtlarında Kritik Faz Noktalarına Sahip Seramiklerin Performansları

Abstract

Baryum temelli seramikler sınıfındaki kurşunsuz diğer kurşunsuz ferroelektrik malzemeler kıyasla elektriksel özellikleri sebebi ile uygulamalarda en yaygın kullanılan sınıftır. Fakat bilindiği gibi baryum titanat (BaTiO3), kurşun temelli ferroelektrik malzemelere kıyasla düşük Curie sıcaklığına ve görece düşük dielektrik özelliklere sahiptir. Düşük elektriksel özellikler problemi BaTiO3 seramiklerine katkılama yapılarak çözülmüştür. Baryum titanat (BT) içerisine Ca2+ ve Zr4+ katılarak baryum zirkonyum titanat (BZT) veya baryum kalsiyum zirkonyum titanat (BCZT) katı eriyikleri oluşturulmuştur. BCZT sistemi için, Ca2+ ve Zr4+, sırasıyla Ba2+ ve Ti4+'nin yerini almak üzere BaTiO3 kristal kafesine dahil edilir. BZT için ise titanyum yerini Zr4+ alır. Bu projede katıhal soğutma sistemlerinden biri olan elektrokalorik etkiyi temel alan bir çalışma yapılmıştır. Seramik tozları katı hal kalsinasyon yöntemi ile elde edilen Ba(ZrxTi1-x)O3 ve xBa(Zr0.2Ti0.8)O3-(1-x)(Ba0.7Ca0.3) seramiklerinin yapısal, elektriksel ve elektrokalorik özellikleri incelenmiştir. BZT için x=0.15 ve x=0.20, BCZT için x=0.32 ve x=0.20 kritik kompozisyonları faz diyagramları göz önüne alınarak seçilmiştir. Curie sıcaklıkları (Tc) Ba(Zr0.15Ti0.85)O3 için 69C, Ba(Zr0.20Ti0.80)O3 için 38C olarak ölçülmüştür. Ayrıca bu sıcaklıklar 0.68Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.32(Ba0.7Ca0.3)TiO3 için 70C ve 0.8Ba(Zr0.15Ti0.85)O3- 0.2(Ba0.8Ca0.2)TiO3 sistemi için ise 82C olarak ölçülmüştür. BCZT sistemler üç aşamalı topokimyasal mikro kristal dönüşüm methodu (molten salt) ile hazırlanmış barium titanat şablonlar kullanılarak dokulandırılmıştır (texture). Farklı elektrik alanları altında sıcaklığa bağlı polarizasyon ölçümü yapılarak ve elektrokalorik etkinin belirleyicisi olan deltaT?yi elde etmek için dolaylı ölçüm yöntemi (indirect method) kullanılmıştır. DeltaT değerleri, Maxwell bağıntılarından sıcaklığa bağlı polarizasyon sonuçları kullanılarak hesaplanmıştır.