Biyouyumlu potasyum sodyum niyobat (KNN) esaslı piezoseramiklerin üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of biocompatible potassium sodium niobate (KNN) based piezoceramics
- Tez No: 964067
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN USTA, DR. YUSUF ÖZTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Seramik Mühendisliği, Engineering Sciences, Ceramic Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Bu çalışmanın amacı, kurşunsuz piezoelektrik seramikler arasında çevre dostu bir alternatif olan Potasyum Sodyum Niyobat (KxNa1–xNbO3) esaslı malzemelerin sinterlenebilirliğini artırmak, elektriksel özelliklerinde gelişim sağlamak ve biyouyumluluk üzerindeki etkilerini incelemektir. Öncelikle, stokiyometrik oranın yapısal ve elektriksel özelliklere etkisini incelemek amacıyla x=0,4-0,45-0,5-0,55-0,6 olacak şekilde farklı K:Na oranlarında KNN piezoseramikleri üretilmiş ve en uygun performans gösteren stokiyometrik oranlar K0,4Na0,6NbO3 (40:60) ve K0,5Na0,5NbO3 (50:50) olarak belirlenmiştir. Bu matrislere %0,25, %0,5 ve %1 mol oranlarında Ca ve Sr katkıları uygulanarak katkıların faz oluşumu, yoğunluk ve elektriksel özellikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ca ve Sr katkılarının her iki stokiyometrik oran (50:50 ve 40:60) için sinterlenebilirlik üzerinde olumlu etkileri gözlemlenmemiş, yoğunluk değerlerinde anlamlı bir artış sağlanamamıştır. Bununla birlikte, her iki katkı elementi de her iki stokiyometrik matris yapısında elektriksel özellikler açısından iyileşmeler sağlamış, piezoelektrik ve dielektrik performansta artış gözlemlenmiştir. Katkı sonrası yeterli yoğunluk sağlanamadığı için, sinterlenebilirliği artırmak amacıyla %0,5 Ca katkılı 50:50 stokiyometrik orana sahip KNN'ye geleneksel sinterleme, hızlı ısıtma-yavaş soğutma ve hızlı ısıtma-hızlı soğutma olmak üzere üç farklı sinterleme yöntemi uygulanmıştır. Sinterleme çalışmaları sonucunda en yüksek yoğunluk, hızlı ısıtma-yavaş soğutma tekniğiyle elde edilmiştir. Yapısal karakterizasyon kapsamında, faz bileşimi ve kristal yapı XRD ile, mikroyapı morfolojisi ise SEM ile incelenmiştir. Seramiklerin yoğunlukları, Arşimet prensibine dayalı yöntemle belirlenmiştir. Piezoelektrik özelliklerin değerlendirilmesinde piezoelektrik yük katsayısı d33 metre ile ölçülmüş; empedans analizörü yardımıyla rezonans ve antirezonans frekansları, direnç ve kapasitans değerleri elde edilmiştir. Bu ölçümler doğrultusunda dielektrik sabiti (K), mekanik kalite faktörü (Qm), frekans sabiti (N) ve elektromekanik bağlaşma katsayısı (kp) gibi türetilmiş parametreler hesaplanmıştır. Biyouyumluluk değerlendirmeleri kapsamında, hücresel toksisiteyi belirlemek amacıyla MTT testi ve kan ile etkileşimi incelemek üzere hemoliz analizi gerçekleştirilmiştir. Yapılan MTT testinde, tüm numune gruplarında hücre canlılığı %90'ın üzerinde bulunarak sitotoksik olmadıkları gösterilmiştir. Hemoliz test sonuçları ise numunelerin kan hücreleriyle temaslarında olumsuz etki göstermediğini ve yüksek hemouyumluluk sergilediğini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
The aim of this study is to enhance the sinterability, improve the electrical properties, and investigate the biocompatibility of Potassium Sodium Niobate (KxNa1–xNbO3, KNN), an environmentally friendly alternative among lead-free piezoelectric ceramics. Initially, KNN ceramics were synthesized with varying K:Na ratios (x = 0,4-0,45-0,5-0,55-0,6) to examine the effect of stoichiometry on structural and electrical properties. The compositions with the best performance were identified as K0,4Na0,6NbO3 (40:60) and K0,5Na0,5NbO3 (50:50). These two compositions were further modified with 0,25, 0,5, and 1 mol% of Ca and Sr dopants to investigate the effects on phase formation, density, and electrical properties. The results showed that neither Ca nor Sr doping significantly improved the sinterability or density for either stoichiometric ratio. However, both dopants contributed to enhancements in electrical performance, leading to increased piezoelectric and dielectric properties in both KNN matrices. Due to insufficient densification after doping, three different sintering techniques-conventional sintering, rapid heating-slow cooling, and rapid heating-rapid cooling-were applied to the K0,5Na0,5NbO3 composition doped with 0,5 mol% Ca in order to improve densification. Among these, the rapid heating-slow cooling method yielded the highest relative density. For structural characterization, phase composition and crystal structure were analyzed via X-ray diffraction (XRD), while microstructural morphology was examined using scanning electron microscopy (SEM). The densities of the ceramics were determined using the Archimedes method. Piezoelectric properties were evaluated by measuring the piezoelectric charge coefficient (d33), and impedance analysis was used to obtain resonance and antiresonance frequencies, resistance, and capacitance values. Based on these measurements, derived parameters such as dielectric constant (K), mechanical quality factor (Qm), frequency constant (N), and electromechanical coupling coefficient (kp) were calculated. In terms of biocompatibility, both the MTT assay (to assess cytotoxicity) and hemolysis analysis (to evaluate blood compatibility) were conducted. The MTT results showed cell viability above 90% for all sample groups, indicating non-cytotoxic behavior. Hemolysis test results demonstrated that samples exhibited hemolysis rates below the acceptable threshold, confirming no adverse interaction with blood cells and indicating high hemocompatibility.
Benzer Tezler
- Piezomimetic ceramic production for bone biomaterial development
Kemik biyomalzemeleri geliştirme amaçlı piezomimetik seramik üretimi
AYBÜKE ÜRETMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULHALİM KILIÇ
- Hidroksiapatit partikülleri içeren alkali silikatlardaki karışık alkali etkisinin incelenmesi
Investagition of mixed alkaline effect of alkali silicates containing hydroxyapatite particles
MEHMET MOR
- Comparıson of bıoactıvıtıes of Ti6Al4V ımplants after multıple surface treatments
Çoklu yüzey işlemleri uygulanan Ti6Al4V implantların biyoaktivitelerinin karşılaştırılması
NEŞE BENAY SEKEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Pomza katkılı hidroksiapatit nano-tozların sentezi ve kemik onarımı için araştırılması
Synthesis of pumice doped hydroxyapatite nano- powders and investigation for bone repair
SÜMEYRA USLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Bilim ve TeknolojiNevşehir Hacı Bektaş Veli ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATMA ZEHRA KOÇAK
- Yara örtücü ve benzeri uygulamalarda kullanılmak üzere biyopolimerik filmler geliştirilmesi
Biopolymers; as a wound dressing and similar applications, production and properties
NİL ERGE AKKAYA YILDIRIMLI