Preparation and characterization of microstructurally engineered textured 0.9PMN-0.1PT piezoelectric ceramics

Abstract

Kurşun esaslı piezoelektrik malzemelerin yüksek elektriksel ve elektromekanik özellikler gösterdiği bilinmektedir. Çeşitli kurşun esaslı piezoelektrik malzemeler arasında, perovskite yapıya sahip (1-x)Pb(Mg1/2Nb2/3)O3–(x)PbTiO3 (PMN-PT) seramikleri transdüserler, ultrasonik motorlar, aktüatörler ve tıbbi ultrason gibi birçok uygulama için potansiyel malzemelerdir. Bu çalışmada, relaksör ferroelektrik özelliği nedeniyle 0.9PMN-0.1PT kompozisyonu seçilmiştir. Piezoelektrik seramikler katı hal reaksiyon yolu ile sentezlenmiştir. Nihai PMN-PT partikül boyutu 0.18 μm'dir ve bu partikül boyutu yoğun piezoelektrik seramik elde etmek için yeterlidir. 0.9PMN-0.1PT numuneleri kuru presleme ve şerit döküm olmak üzere iki yöntemle hazırlanmıştır. BaTiO3 şablon parçacıkları ergimiş tuz sentezi yöntemiyle sentezlenmiş ve dokulandırmak için %5-hacim oranında kullanılmıştır. Dokulu PMN-PT numuneleri elde etmek için şerit döküm ve şablonlu tane büyümesi kombinasyonu kullanılmıştır. Numuneler 1150°C'de farklı sürelerde sinterlenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) kullanılarak mikroyapısal analizler ve faz analizleri yapılmıştır. Dielektrik ve ferroelektrik özellikler incelenmiştir. Tüm sinterlenmiş numunelerde saf perovskit yapısı elde edilmiştir. Dielektrik sabitinin sıcaklığa bağlı ölçümü yapılmıştır. Elektrik alan kaynaklı gerinme 30 kV/cm'de ~% 0.14 olarak ölçülmüştür. Curie sıcaklıkları, kuru presleme numuneleri için sırasıyla 1 kHz, 10 kHz ve 100 kHz'de 41°C, 43°C ve 45°C ve dokulu numunelerde sırasıyla 39°C, 41°C ve 43°C olarak ölçülmüştür. Dokulu olmayan numunenin kalıntı polarizasyonu (Pr) 30 kV/cm'de ~2Pr =12.7 μC/cm2 olarak ölçülmüş ve dokulu numune için kalıntı polarizasyon 30 kV/cm'de 6.4 μC/cm2 olarak ölçülmüştür.

Lead-based piezoelectric materials are known with their high electrical and electromechanical properties for potential applications. Among various lead-based piezoelectric materials, (1-x)Pb(Mg1/2Nb2/3)O3–(x)PbTiO3 ceramics (abbreviated as PMN-PT) are promising materials for transducers, medical ultrasound, ultrasonic motors and actuators. In this study, 0.9PMN-0.1PT was chosen due to relaxor ferroelectric response of this composition. Piezoelectric ceramic powders were synthesized by solid-state reaction route. The final PMN-PT particle size of the powders was measured as 0.18 µm. The samples of 0.9PMN-0.1PT were prepared with two methods as dry-pressing and tape-casting. Moreover, barium titanate (BaTiO3) template particles were synthesized by molten salt synthesis method and were used to texture the 0.9PMN-0.1PT with ratio of 5%-vol. A combination of tape-casting and template grain growth was used to obtain textured PMN-PT samples. All samples were sintered at 1150oC for various durations. Microstructural and compositional analyses have been carried out using scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). Dielectric and ferroelectric properties have been investigated. Pure perovskite structure was obtained in all sintered samples. Temperature-depended measurement of dielectric constant was performed. Electric field-induced strain was measured as ~0.14% at 30 kV/cm. The Curie temperatures were measured at 1 kHz, 10 kHz and 100 kHz as 41C, 43C and 45C for dry-pressing samples and 39C, 41C and 43C for textured samples, respectively, indicating the relaxor nature of the ceramics. Remnant polarization (Pr) of non-textured sample was measured as ~2Pr =12.7 µC/cm2 at 30 kV/cm and was also measured as 6.4 µC/cm2 at 30 kV/cm for the textured sample.