Geri Dön

Kurşunsuz piezoelektrik malzemelerde güvenilirlik sorunlarının sistematik bir incelemesi

A systematic investigation of reliability issues in lead-free piezoelectric materials

PDF İndir

  1. Tez No: 939996
  2. Yazar: SAMET ABBAK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Seramik Mühendisliği, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences, Ceramic Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Afyon Kocatepe Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 110

Özet

Şu anda, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) ve türevleri, üstün piezoelektrik özellikleri ve performansları nedeniyle sensörler, dönüştürücüler ve aktüatörler gibi çeşitli elektronik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, bileşimdeki kurşunun (Pb) toksisitesi nedeniyle PZT'ye daha çevre dostu alternatiflerin geliştirilmesi için son yirmi yılda yoğun araştırmalar yapılmıştır. Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) bazlı kurşunsuz piezoelektrik seramikler, PZT'nin yerini alacak önde gelen malzeme adaylarından biri olarak ortaya çıkmaktadır. Bu araştırmada, PZT gibi perovskit kristal yapısına sahip BNT tabanlı ikili (BNT-BT ve BNT-BKT) ve üçlü (BNT-BKT-BT) katı çözeltiler farklı katkı elementleri ile üretilerek özellik ve performanslarının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu katkı elementlerinin piezoelektrik (d33), dielektrik (εr, tanδ, Td ve TC) ve ferroelektrik (Ec, Ps ve Pr) özelliklerinin yanında kristal yapı ve mikroyapı üzerine etkileri incelenmiştir. Çalışma boyunca üretilen 0,94(Bi0,5Na0,5TiO3)-0,06(BaTiO3) (BNBT6), 0,80(Bi0,5Na0,5TiO3)-0,20(Bi0,5K0,5TiO3) (BNKT20) ve 0,854(Bi0,5Na0,5TiO3)-0,12(Bi0,5K0,5TiO3)-0,026(BaTiO3) (BNKBT12) seramiklere mevcut literatür ve bilimsel teoriler ışığında donör ve/veya akseptör davranışlar göstermesi öngörülen Al+3, La+3, Mn+3 ve Nb+5 iyonları B+3 ile eşleştirilerek birlikte katkılandırılmıştır. Üretilen farklı kompozisyonlara sahip numunelerin yapısal karakterizasyonları için yoğunluk ölçümü, X-ışınları difraksiyonu (XRD), taramalı elektron mikroskopisi (SEM) yöntemleri kullanılmıştır. Farklı katkı iyonlarının elektriksel özelliklere etkilerinin sistematik olarak incelenmesi amacıyla değişen sıcaklık, voltaj ve zamana bağlı olarak temel dielektrik, piezoelektrik ve ferroelektrik ölçümler gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla öncelikle üstün piezoelektrik özellik ve performans elde edilebilmesi bakımından kritik rolü olduğu bilinen“kutuplama”koşullarının optimizasyonu için değişkenler belirlenmiştir. Oda sıcaklığında elde edilen ölçümlerin yanı sıra sıcaklığa bağlı dielektrik özellikler, zamana ve sıcaklığa bağlı depolarizasyon davranışı ve ferroelektrik histeresiz (P-E) ölçümleri de yapılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde gerek borun (B+3) tek olarak gerekse Al+3, La+3, Mn+3 ve Nb+5 iyonları B+3 ile birlikte BNT-BT, BNT-BKT ikili ve BNT-BKT-BT üçlü sistemlerine katkılanması sonucu elde edilen bulgular sistematik olarak tartışılmış ve değerlendirilmiştir. Bor (B2O3) katkılamanın, seramik ve cam malzemelerde yaygın olarak rapor edilen ergime noktasını düşürerek sinterlenmeyi kolaylaştırıcı etkilerinin yanı sıra kurşunsuz piezoelektrik seramiklerde perovskit kristal yapıyı modifiye ederek başlıca elektriksel özelliklerini de önemli ölçüde geliştirdiği bu çalışmada ortaya konulmuştur. İncelenen perovskit sistemlerde borun (B+3), donör ve/veya akseptör davranış gösterdiği bilinen elementler arasından özenle seçilen Al+3, La+3, Mn+3 ve Nb+5 iyonları ile eşleştirilerek katkılanması sayesinde gözlemlenen sonuçların oluşması muhtemel noktasal hatalar kimyası perspektifinden“yapı-özellikler”değerlendirilmesini mümkün kılmıştır. Çalışma kapsamında elde edilen bulgular ve değerlendirmeler, ilgili bilimsel literatür ve yeni nesil çevreye dost kurşunsuz piezoelektrik malzemelerin elektronik uygulamaları bakımından önemli katkılar sunma potansiyeline sahiptir.

Özet (Çeviri)

Currently, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) and its derivatives are widely used in various electronic applications such as sensors, transducers, and actuators due to their superior piezoelectric properties and performance. However, there has been intense research over the past twenty years for the development of more environmentally friendly alternatives to PZT, due to the toxicity of lead (Pb) in the composition. Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) based lead-free piezoelectric ceramics are emerging as one of the prominent material candidates to replace PZT. In this research, it is aimed to investigate property and performance of BNT based binary (BNT-BT and BNT-BKT) and ternary (BNT-BKT-BT) solid-solutions doped with different elements. The effects of these dopants on piezoelectric (d33), dielectric (εr, tanδ, Td ve TC), and ferroelectric (Ec, Ps ve Pr) properties were investigated as well as crystal structure and microstructure. Throughout the study, 0.94(Bi0.5Na0.5TiO3)-0.06(BaTiO3) (BNBT6), 0.80(Bi0.5Na0.5TiO3)-0.20(Bi0.5K0.5TiO3) (BNKT20), and 0.854(Bi0.5Na0.5TiO3)-0.12(Bi0.5K0.5TiO3)-0.026(BaTiO3) (BNKBT12) ceramics were doped with Al3+, La3+, Mn3+, and Nb5+ ions, which were predicted to show donor and/or acceptor behavior in light of existing literature and scientific theories. For the structural characterization of the produced samples with different compositions density measurement, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) methods were used. In order to systematically investigate the effects of different doping ions on the electrical properties, essential dielectric, piezoelectric and ferroelectric measurements were performed as a function of temperature, voltage, and time. For this purpose, variables were determined to optimize the“poling”conditions, which are known to play a critical role in achieving superior piezoelectric properties and performance. In addition to the measurements obtained at room temperature, temperature-dependent dielectric properties, time and temperature-dependent depolarization behavior and ferroelectric hysteresis measurements were also performed. When the results were analyzed, the findings obtained from the doping of boron (B3+) alone, as well as in combination with Al3+, La3+, Mn3+, and Nb5+ ions in BNT-BT, BNT-BKT binary, and BNT-BKT-BT ternary systems, were systematically discussed and evaluated. It was shown that boron (B2O3) doping, in addition to its well-known effect of lowering the melting point to facilitate sintering in ceramic and glass materials, also significantly improved the electrical properties by modifying the perovskite crystal structure in lead-free piezoelectric ceramics. The results observed in the studied perovskite systems, obtained by doping boron (B3+) in combination with carefully selected ions like Al3+, La3+, Mn3+, and Nb5+, allowed for a“structure-properties”evaluation from the perspective of potential point defects chemistry. The findings and evaluations obtained in this study hold the potential to make significant contributions to the scientific literature and the development of next-generation, environmentally friendly lead-free piezoelectric materials for electronic applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    325450

    Kurşunsuz piezoelektrik seramiklerde elektriksel yaşlanma

    Electrical depolarization in lead-free piezoelectric ceramics

    BİRKIZ DİLEK KARGI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Seramik MühendisliğiAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL

  2. Tez No

    472943

    BiNaTiO3 ve KNaNbO3 tabanlı piezoelektrik seramiklerde katkılandırmayla değişen sinterleme koşullarının optimizasyonu

    Optimization of sintering conditions depending on doping in BiNaTiO3 and KNaNbO3 based piezoelectric ceramics

    MAHMUD CEMALEDDİN YALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji MühendisliğiAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL

  3. Tez No

    472939

    Bor katkılı kurşunsuz piezoelektriklerde akseptör ilavesinin depolarizasyon davranışına etkileri

    Effects of acceptor addition in boron doped lead-free piezoelectrics on depolarization behavior

    SAMET ABBAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Metalurji MühendisliğiAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL

  4. Tez No

    829591

    Grafen katkılı polimer matrisli piezokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of graphene doupted polymer matrixed piezocomposites

    AHMET ÖZBEY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EBRU MENŞUR ALKOY

  5. Tez No

    955912

    Çevre dostu kurşunsuz piezoelektrik parçacık katkılı PVDF kompozitlerin piezoelektrik uygulamaları için üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of environmentally friendly lead free piezoelectric particle added PVDF composites for piezoelectric applications

    SERHAT TIKIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik BilimleriAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL

Geri Dön