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
- Tez No: 955912
- Danışmanlar: DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Seramik Mühendisliği, Engineering Sciences, Ceramic Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Afyon Kocatepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Günümüzde enerji ihtiyacı, teknolojik yenilikler ve farklı uygulama alanlarının artışıyla birlikte sürekli çeşitlenmekte ve büyümektedir. Küçük, orta ve büyük ölçekli enerji gereksinimlerini karşılamak amacıyla yüksek performanslı ve yenilikçi malzemelerin geliştirilmesine yönelik bilimsel çalışmalar hız kazanmaktadır. Bu araştırma, özellikle mikroelektronik endüstrisinin yenilikçi ürünleri arasında yer alan minyatür sistemlerin enerji ihtiyaçlarını karşılamak için küçük ölçekli enerji kaynakları olarak piezoelektrik malzemelere odaklanmıştır. Piezoelektrik malzemeler, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine ve tam tersi şekilde elektrik enerjisini mekanik enerjisine dönüştürebilme özellikleriyle; otomotivden sağlık sektörüne kadar sensör, aktüatör ve transdüser gibi pek çok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Çevre dostu ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talebin arttığı günümüzde, bu malzemeler birçok alanda ideal çözümler sunmaktadır. Bu durum, piezoelektrik malzemelerle ilgili yarım asrı aşkın süredir devam eden araştırmaların hız kazanmasına yol açmıştır. Ayrıca, nanomalzemeler ve karakterizasyon yöntemlerindeki ilerlemeler, araştırmacılara yenilikçi yaklaşımlar geliştirme fırsatları sunmaktadır. Son yıllarda, çevre duyarlılığının artışıyla birlikte kurşun (Pb) içeren piezoelektrik malzeme kompozisyonlarına alternatif oluşturacak, benzer üstün özelliklere sahip malzemelerin geliştirilmesi büyük önem kazanmıştır. Bu kapsamda, bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan kurşun bazlı PZT seramiklere alternatif olarak BNT-6BT piezoseramiklerin bor (B³⁺) katkılı tozlarının üretilmesi ve bu tozların PVDF polimer matrisinde kullanımıyla hafif, esnek ve üstün özelliklere sahip kompozitlerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Hidrotermal yöntemle sentezlenen piezoseramik tozların karakterizasyonu XRD ve SEM-EDX analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Bu piezoseramik tozlar, PVDF polimerine katkı olarak eklenmiş ve elektro-eğirme yöntemi kullanılarak fiber yapılar elde edilmiştir. Kompozit yapıdaki fiberlerin morfolojisi SEM-EDX analizleri ile incelenirken, piezoelektrik özellikleri sağlayan β fazındaki değişim FTIR analizleri ile değerlendirilmiştir. Yapı-özellik-performans değerlendirmesi bakımından, elektroeğirme yöntemiyle BNT-BT piezoseramik parçacık katkılı ve/veya katkısız olarak üretilen PVDF (poliviniliden florür) fiber kompozit örneklerin elektriksel özellikleri, 1 Hz ile 1 MHz (1–1.000.000 Hz) frekans aralığında ve oda sıcaklığında kapasitans ve dielektrik kayıp (tan δ) ve piezoelektrik tepki ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Yapılan bu çok yönlü elektriksel karakterizasyon sayesinde, bor içeren ve içermeyen BNT-BT tabanlı perovskit kristal yapılı piezoseramik katkılı ve/veya katkısız PVDF polimer fiber kompozit malzemelerin sensör, enerji depolama ve dielektrik bileşenlerdeki potansiyel uygulama alanları hakkında değerlendirmeler yapılmıştır. Elde edilen bulgular, bor katkılı piezoseramik tozların PVDF polimerine dahil edilmesiyle oluşturulan fiber kompozit yapıların polar β fazındaki artışla uyumlu olarak dielektrik ve piezoelektrik performansında belirgin iyileşmeler sağlandığını göstermiştir. Bu sonuçlar giyilebilir elektronikler için enerji hasadı bakımından PVDF polimer bazlı esnek yapılı ve hafif fiber kompozitlerin önemli katkı potansiyelini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Today, the increasing demand for energy continues to diversify and grow with new technological advancements and various application areas. Scientific research focused on developing high-performance and innovative materials to meet small, medium, and large-scale energy requirements has also gained momentum. This study focuses on piezoelectric materials, particularly as small-scale energy sources, to address the energy needs of miniature systems, which are among the most innovative products in the microelectronics industry. Piezoelectric materials, with their ability to convert mechanical energy into electrical energy and vice versa, have garnered significant interest across numerous sectors such as automotive, healthcare, and more, for applications like sensors, actuators, and transducers. In today's world, where eco-friendly and renewable energy production has gained great importance, piezoelectric materials provide ideal solutions in various fields. This has accelerated the pace of research into piezoelectric materials, which has been ongoing for more than half a century. Moreover, advancements in nanomaterials and characterization techniques offer researchers opportunities to develop innovative approaches. In recent years, with the rise of environmental awareness, research into developing alternative materials with similar superior properties to lead (Pb)-based piezoelectric compositions has yielded significant outcomes. In this context, the present study aims to develop lightweight, flexible, and high-performance composites by producing boron (B³⁺)-doped BNT-6BT piezoceramic powders, which offer a structure and properties comparable to commonly used lead-based PZT ceramics, and incorporating these powders into a PVDF polymer matrix. The piezoceramic powders synthesized via the hydrothermal method were characterized using XRD and SEM-EDX analyses. These powders were added to PVDF polymer as an additive, and fiber structures were produced using the electrospinning method. The morphology of the fibers, which form the main component of the composite structure, was examined using SEM-EDX techniques, while the changes in the β-phase responsible for piezoelectric properties were analyzed in detail by FTIR analyses. In terms of structure-property-performance evaluation, the electrical properties of PVDF (polyvinylidene fluoride) fiber composite samples produced with and/or without BNT-BT piezo ceramic particle additives using the electrospinning method were characterized through capacitance and dielectric loss (tan δ) in the frequency range of 1 Hz to 1 MHz (1–1,000,000 Hz) and piezoelectric response measurements at room temperature. Thanks to these multifaceted electrical characterizations, evaluations have been made regarding the potential application areas of boron-containing and non-containing BNT-BT based perovskite crystal structured piezoceramic doped and/or undoped PVDF polymer fiber composite materials in sensors, energy storage, and dielectric components. The findings obtained indicate that the incorporation of boron-doped piezoceramic powders into the PVDF polymer results in significant improvements in dielectric and piezoelectric performance, in line with the increase in the polar β phase of the fiber composite structures. These results reveal the significant contribution potential of PVDF polymer-based flexible and lightweight fiber composites for energy harvesting in wearable electronics.
Benzer Tezler
- Processing of bczt powders by sol-gel method for electrocaloric applications
Elektrokalorik uygulamalar için bczt tozlarının sol-jel yöntemi ile işlenmesi
HELİN TEMEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mühendislik BilimleriGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBRU MENŞUR ALKOY
- Çevre dostu kurşunsuz piezoelektrik seramiklerin üretimi ve kullanım güvenilirliğinin karakterizasyon
Synthesis and reliability characterization of environment friendly lead-free piezoelectrics
SERHAT TIKIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Seramik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiSeramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
- 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
2017
Metalurji MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. METİN ÖZGÜL
- Kritik faz noktalarına sahip farklı ca ve zr içeriklerinde baryum titanat esaslı ferroelektrik seramik kompozisyonların dokulu üretimi ve karakterizasyonu
Textured production and characterization of barium titanate based ferroelectric ceramic compositions with critical phase points in different ca and zr contents
GÖZDE TOPRAK SÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Bilim ve TeknolojiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBRU MENŞUR ALKOY
- K0.5bi0.5tio3-batio3-na0.5bi0.5tio3 esaslı tozlarda kompozisyonun mikroyapı gelişimi ve elektriksel özelliklere etkisinin belirlenmesi
Determination of the effect of composition on microstructure and electrical properties in k0.5bi0.5tio3-batio3-na0.5bi0.5tio3 based powders
OZAN ŞÜKRÜ ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Mühendislik BilimleriEskişehir Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENDER SUVACI