نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه یزد

2 دانشگاه آزاد یزد

چکیده

مواد فروالکتریک پایه سربی و علی‌الخصوص Pb(ZrTi)O3 به علت دارا بودن خواص پیزوالکتریک عالی دارای کاربردهای وسیعی در عملگرها ، حسگرها و مبدل‌های پیزوالکتریک هستند. از طرفی، بیش از 60 درصد وزنی این ترکیبات را سرب تشکیل می‌دهد. با در نظر گرفتن سمی بودن سرب تلاش‌های فراوانی به منظور گسترش موادی سازگار با بدن و محیط زیست صورت گرفته است. در این پژوهش سرامیک نایوبات پتاسیم-سدیم (KNN) به عنوان مهمترین خانواده از پیزوسرامیک‌های عاری از سرب با استفاده از روش آلیاژسازی مکانیکی ساخته شد و فرآیندهای سنتز پودر، زینتر و خواص الکتریکی آن مورد بررسی قرار گرفت. بررسی مشخصات پودر سنتز شده با استفاده از آزمایشات XRD و SEM نشان داد که کلسیناسیون مواد اولیه در دمای C˚850 منجر به دستیابی به پودر هموژن و تک فاز KNN می‌گردد. در دمای بهینه زینتر 1000 درجه سانتیگراد، مقادیر قابل قبول 643، pC/N140 و 01/0 به ترتیب برای ثابت دی‌الکتریک نسبی(rε)، ضریب بار پیزوالکتریک ((d33 و اتلاف دی‌الکتریک به دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Design, manufacturing and improve lead-free piezoelectric (K0.5Na0.5) NbO3 used in ultrasonic underwater transducers

چکیده [English]

Abstract: Due to excellent piezoelectric properties, lead-based ferroelectric materials and more particularly the Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) are widely used in actuators, sensors and transducers. However, these ceramics contain more than 60% PbO. With regard to the toxicity of lead, many efforts have been made to develop environmentally friendly and non-hazardous materials. In the present work, Potassium-Sodium Niobate (KNN) ceramics as the most important family of lead-free piezoceramics were fabricated by mechanical-Alloying reaction route and the synthesis and sintering processes as well as electrical properties of these ceramics were investigated. Characterization of synthesized powders by XRD, SEM revealed that calcination of raw materials at 850°C leads to a homogeneous and single-phase KNN powders. At optimum sintering temperature of 1000°C, the desirable values of 643, 140 pC/N and 0/01 were obtained for dielectric constant(εr),piezoelectric charge coefficient (d33) and loss factor, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piezoceramic
  • Potassium-Sodium Niobate
  • Powder Synthesis
  • Sintering

[1]   Haertling, G. H., “Ferroelectric Ceramics: History and Technology”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 82, No. 4, pp. 797-818, 1999.

[2]   Wonly, W. W., “European Approach to Development of New Environmentally Sustainable Electro-ceramics”, Ceramic International, Vol. 30, pp. 1079-1083, 2004.

[3]   Ringgaard, E., Wurlitzer, T. and Wonly, W. W., “Properties of Lead-Free Piezoceramics Based on Alkali Niobates”, Ferroelectrics, Vol. 319, pp. 97-107, 2005.

[4]   Eveloy, V., Ganesan, S., Fukuda, Y., Wu, J. and Pecht, M. G., “Are You Ready for Lead-free Electronics?”, IEEE Transactions on Components and Packing Technologies, Vol. 28, No. 4, pp. 884-894, 2005.

[5]   Pecht, M., Fukuda, Y. and Rajagopal, S., “The Impact of Lead-free Legislation Exemptions on the Electronics Industry”, IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, Vol. 27, No. 4, pp. 88-92, 2004.

[6]   Demartin Maeder, M., Damjanovic, D. and Setter, N., “Lead Free Piezoelectric Materials”, Journal of Electroceramics, Vol. 13, pp. 385-392, 2004.

[7]   Cross, L. E., “Electric Double Hysteresis in (KxNa1-x) NbO3 Single Crystals”, Nature, Vol. 181, pp. 178-179, 1958.

[8]   Egerton, L. and Dillon, D. M., “Piezoelectric and Dielectric Properties of Ceramics in the System Potassium–Sodium Niobate”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 42, No. 9, pp. 438-442, 1959.

[9]   Matsubara, M., Yamaguchi, T., Sakamoto, W., Kikuta, K., Yogo, T. and Hirano, S., “Processing and Piezoelectric Properties of Lead-free (K,Na) (Nb,Ta) O3 Ceramics”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 88, No. 5, pp. 1190-1196, 2005.

[10]           Haertling, G. H., “Properties of Hot-Pressed Alkali Niobate Ceramics”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 50 Issue 6, pp. 329-330, 1967.

[11]           Jaeger, R. E., and Egerton, L., “Hot Pressing of Potassium–Sodium Niobates, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 45 No. 5, pp. 209-213, 1962.

[12]           Jaffe, H., “Piezoelectric Ceramics”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 41, No. 11, pp. 494-498, 1958.

[13]           Saito, Y., Takao, H., Tani, T. , Nonoyama, T.,  Takatori, K., Homma, T., Nagaya, T. and Nakamura, M., “Leadfree Piezoceramics”, Nature, Vol. 432, pp. 84-87, 2004.

[14]           Guo, Y., Kakimoto, K. and H. Ohsato, “(Na0.5K0.5) NbO3–LiTaO3 Lead-free Piezoelectric Ceramics”, Materials Letters, Vol. 59, pp. 241–244, 2005.

[15]           Y. Guo, K. Kakimoto and H. Ohsato, “Phase Transitional Behavior and Piezoelectric Properties of Na0.5 K0.5 NbO3–LiNbO3 Ceramics”, Applied Physics Letter, Vol. 85, No. 18, pp. 4121-4123, 2004

[16]           Zhang, S., Xia, R., Shrout, T. R., Zang, G. and Wang, J., “Piezoelectric Properties in Perovskite 0.948 (K0.5Na0.5) NbO3–0.052LiSbO3 Lead-free Ceramics”, Journal of Applied Physics, Vol. 100, pp. 104-108, 2006.

[17]           Wolny, W. W., “Application Driven Industrial Development of Piezoceramics”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 25, pp. 1971–1976, 2005.

[18]           Zuow, R., Rodel, J., Chen, R. and Li, L., “Sintering and Electrical Properties of Lead-free Na 0.5K0.5NbO3 Piezoelectric Ceramics”, Journal of the American Ceramic Society, Vol 89, No. 6, pp. 2010-2015, 2006.