Çevre dostu KNN ferroelektrik seramiklerin yüksek güç ultrasonik uygulamalar için modifikasyonu

Abstract

Bu doktora çalışmasının amacı, çevre dostu kabul edilen K0.5Na0.5NbO3 (KNN) esaslı ferroelektrik seramiklerin sinterleme davranışlarını ve elektrik ve elektromekanik özelliklerini katkılandırma ile geliştirmek, Langevin tipi yüksek güç ultrasonik uygulamalar için kullanılabilirliğini sonlu elemanlar yöntemini kullanarak araştırmak, prototip cihazlar üretmek ve bunları karakterize etmektir. Üsten sınırlı ve dar bir sinterleme rejimine sahip KNN seramiklerinin saf halde yoğunlaşmaya gösterdikleri direnç nedeniyle tekrar üretilebilirliklerinin düşük olması endüstriyel olarak yaygın şekilde kullanılmakta olan kurşun esaslı Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) piezoseramiklerine alternatif olabilmesi önündeki en büyük engellerdendir. Bu nedenle sıvı faz yapıcı K4CuNb8O23 (KCN) ile ZnO, SnO2, Yb2O3 veya Sb2O5 katkılarının KNN piezoseramiklerin sinterlenme davranışları üzerine etkileri dinamik ve izotermal olarak çalışılmıştır. Özellikle ZnO+SnO2 katkılarının KNN-KCN seramiğinin sinterleme kinetiğini kayda değer şekilde değiştirdiği ve sistemin sinterleme sıcaklığını ~40°C aşağıya çektiği saptanmıştır. Yapılan tüm katkıların KNN piezoseramiğinin elektriksel ve elektromekanik özelliklerini ve bunların sıcaklığa bağlı davranışlarını nasıl etkiledikleri detaylı şekilde incelenmiştir. Elektriksel sert karaktere sahip KNN-KCN seramiğinin ZnO+SnO2 ile modifiye edildiğinde (KNN-KCN-ZnSn) yüksek güç karakteristiğinin önemli ölçüde geliştiği ve PZT'ye nazaran daha geniş güvenli çalışma sıcaklık aralığına sahip olduğu saptanmıştır. Ayrıca, sisteme sert karakter kazandıran Cu2+ iyonları nedeniyle KNN'de oluşan kusurlar da analiz edilmeye çalışılmıştır. Seramiklerin IEEE standardına göre ölçülen tensör özellikleri sonlu elemanlar analiz yazılımına girdi yapılarak, 30-40 kHz civarı frekansta çalışan Langevin tipi ultrasonik kesme ve karıştırma cihazları modellenmiş ve daha sonra bunların prototipleri üretilmiştir. Sonuç olarak, doğa dostu kurşunsuz KNN seramiklerinin yüksek güç ultrasonik uygulamalarda kurşunlu PZT seramiklerine alternatif olarak kullanılabilme potansiyeli ortaya konulmuştur.

The motivation of this study was to enhance sintering behavior and electrical and electromechanical properties of eco-friendly lead-free K0.5Na0.5NbO3 (KNN) ferroelectric ceramics by doping and liquid phase sintering. Then Langevin-type high-power ultrasonic devices were designed by using finite element analysis (FEA) method, prototype devices were made and characterized. The most important drawback in the widespread commercial use of environmentally friendly lead-free KNN ceramics, instead of lead-based Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) counterparts, was its poor sinterability associated with the upper bound narrow sintering temperature window and, therefore, poor reproducibility. The effects of ZnO, SnO2, Yb2O3 or Sb2O5 doping in the presence of a liquid phase provider, K4CuNb8O23 (KCN), on the sintering behavior of KNN piezoceramics were systematically investigated from dynamic and isothermal sintering study. It was found that ZnO+SnO2 co-doping improved the sintering kinetics of KNN-KCN considerably and decreased the sintering temperature by ~40°C. Effects of doping on the electrical/electromechanical properties and temperature dependence of these properties were studied as well. High-power characteristics of electrically hard KNN-KCN ceramics were enhanced dramatically by co-doping with ZnO and SnO2. The defect complexes due to dissolution of Cu2+ ions in the matrix were responsible for inducing the hard character in KNN ceramics. KNN-KCN based ceramics also had wider service temperature interval than that of PZT. Langevin-type ultrasonic transducers with working frequencies between 30-40 kHz were designed and prototype devices for ultrasonic cutting and homogenization were made. In conclusion, eco-friendly lead-free KNN ferroelectric ceramics are potential candidates for lead-based PZT ones, especially for high-power ultrasonic applications.