|
|
An investigation of novel electroceramic structures for new sensor applications
Nan, Bo ; Liedermann, Karel (referee) ; Milne, Steven (referee) ; Button, Timothy William (advisor)
Piezoelektrické keramické materiály jsou široce používány v mnoha aplikacích a průmyslových odvětvích, nicméně tradiční materiály obvykle obsahují olovo, které je toxické vůči životnímu prostředí. Většina zemí proto zavedla zákony a omezení, které postupně minimalizují spotřebu olova a podporují výzkum v oblasti bezolovnatých kompozic, které by nahradily olověné protějšky. Bezolovnatá piezoelektrická keramika se tak stala žhavým tématem v posledních letech. Nicméně výzkumy na praktické využití bezolovnatých piezoelektrických materiálů jsou jen zřídka publikovány. V této diplomové práci byl vybrán jeden z nadějných kandidátů na piezoelektrickou bezolovnatou keramiku (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3 za účelem zkoumání metody snížení jeho vysoké teploty slinování pomocí dotování uhličitanem lithným, kde syntéza prášku byla připravená pomocí techniky sol-gel. Výsledky byly srovnány s konvenčním práškem syntetizovaným v pevné fázi. Vzorky vyrobené ze sol-gel prášku dopovaného 0.5% hmotn. uhličitanem lithným a slinované při 1300 °C po dobu 2 hodin vykazovaly d33 = 447 ± 9 pC N–1, teplotu Curie 98.7 °C a velikost zrn 7.0 ± 0.3 m. Další důležitou otázkou pro aplikace bezolovnatého piezoelektrického keramického materiálu je jeho výroba v různých konfiguracích. Použitím techniky odlévání pásky a aditivních výrobních postupů byla piezoelektrická keramika zpracována do tří různých konfigurací (2-2, 3-3 a 1-3), aby se překlenula mezera mezi materiálovými vědami a materiálovým inženýrstvím. Pro dolévání pásky byly použity suspenze na bázi oleje a vody. Pro přípravu neslinutých keramických fólií bez trhlin, byly pro odlévání na bázi oleje vyvinuty uhlíkové suspenze s obsahem pevných látek 25% hmotn. a BCZT suspenze s obsahem pevných látek 65% hmotn. Problém práškové hydrolýzy ve vodných suspenzích byl vyřešen povrchovou úpravou prášku Al(H2PO4)3, což umožnilo, aby byly tlusté vrstvy bez trhlin odlety v jednom kroku. Tlusté vrstvy slinované při 1500 °C vykazovaly relativní dielektrickou konstantu 1207, dielektrickou ztrátu 0.018 při 1 kHz, remanentní polarizaci 7.54 µC/cm2 a koercitivní síla intenzity pole (Ec) 0.23 kV/mm při 3 kV/mm. Pro tvarování BCZT v konfiguraci 3-3 a 1-3 byla použita přímá metoda tisknutí inkoustu. Pro správnou úpravu tiskového procesu byla použita inkoustová náplň s viskoelastickým chováním obsahující 41.6% obj. pevných látek BCZT a se zpracovatelskými přísadami (HPMC ~ 2.4% a PEI ~ 0.03%). Vzorky v konfiguraci 3-3, slinované při 1500 °C, vykazovaly nejvyšší dielektrické a piezoelektrické vlastnosti, kde Curieho teplota = 86 °C, tan = 0.021, remanentní polarizace = 4.56 µC/cm2 a d33 = 100 ± 4 pC/N. Vzorky v konfiguraci 1-3 slinované při 1500 °C, které byly smíchány s epoxidem, vykazovaly dielektrickou konstantu 144 a dielektrickou ztrátu 0.035 při 1 kHz. Tato práce popisuje tvarování bezolovnaté piezoelektrické keramiky s vynikajícími vlastnostmi v pokročilých strukturách jako krok k návrhu pro moderní senzorické a energy harvesting aplikace.
|
|
|
Study of the synthesis and processing conditions on the structure and properties of (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 lead-free ceramics
Bijalwan, Vijay ; Liedermann, Karel (referee) ; Olhero,, Susana Maria Henriques (referee) ; Button, Timothy William (advisor)
V poslední době je snahou nahradit klasickou komerční olovnatou piezoelektrickou keramiku bezolovnatou, z důvodu zvýšeného zájmu o ochranu životního prostředí a zdraví. Různé typy materiálů již byly navrženy, jako například (K, Na) NbO3 (KNN), (Bi, Na) TiO3 (BNT), (Bi, Na) TiO3 – BaTiO3 (BNT-BT), ale jejich piezoelektrické vlastnosti zatím nedosáhly takových hodnot jako u olovnatý chkeramik (např. olovnatý titanát olova ((Pb Zr)TiO3). Nejvíce se olovnatým materiálů blíží bezolovnatý systém na bázi (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 nebo (Ba, Ca) (Zr, Ti) O3 ((1-x)BZT-xBCT, BCZT) a to díky vysokým piezoelektrickým a dielektrickým parametrům. Nevýhodou tohoto prostředku je jeho velmi vysoká teplota slinování (1520 ° C) za účelem dosažení vysokých piezoelektrických vlastností (např. Piezoelektrické konstanty d33 > 600 pC / N). Tato práce se zabývá bezolovnatou keramikou na bázi BCZT, její výrobou a vylepšením piezoelektrických vlastností dopováním CeO2. Přidáním CeO2 (y wt.%) do (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9) O3 se výrazně snížila slinovací teplota a došlo ke zhutnění při 1350°C. U této kompozice se Curieova teplota pohybovala kolem TC~105°C a velikost zrn byla v rozmezí ~ 10-13 m. Fázový přechod z romboedrické struktury na tetragonální (R-T) byl zjištěn pomocí rentgenové spektroskopie u y = 0 - 0.1 wt.%, což koreluje s výsledky Ramanovy spektrální analýzy. Mikrostrukturní a strukturní charakteristiky byly detailně studovány v korelaci s dielektrickými, feroelektrickými a piezoelektrickými vlastnostmi. Nejlepší funkční vlastnosti byly dosaženy pro keramiku BCZT – 0.07 wt.% CeO2. Tato keramika vykazovala piezoelektrický nábojový koeficient d33 = 507±20pC/N, elektromechanický planární koeficient kp = 51.8 %, dielektrickou konstantu r = 4091±100, ztrátový činitel tan = 0.02, remanentní polarizaci Pr = 13.58C/cm2, intenzitu koercitivního pole EC = 2.13kV/cm při normovaném napětí, d33* nebo Smax/Emax = 840pm/V. Dvoustupňovou kalcinační technikou bylo docíleno homogenního růstu zrn s vysokou relativní hustotou (~ 99% teoretické hustoty). Tato kompozice BCZT- CeO2 vykazovala stálé feroelektrické, dielektrické a piezoelektrické vlastností i při velikosti zrn 10 µm. Bezolovnatá piezoelektrická keramika (Ba0.85Ca0.15-y Cey) (Zr0.1Ti0.9) O3 (BCCeZT) byla dále dopována CeO2 s cílem substituce Ce4+ v místě A krystalické mřížky. Posunutí rentgenových vrcholů k vyšším úhlům naznačuje kontrakce mřížky, což by mohlo způsobit obsazení iontů ceru v místech A této soustavy. Bylo zjištěno, že velikost zrn kolem 10 - 12 m je významná pro vysokou piezoaktivitu bezolovnaté BCCeZT keramiky. Nejvyšší piezoelektrické vlastnosti tato keramika vykazovala při y;Ce = 0.00135 a slinovaná na teplotě 1350°C/4h, kdy piezoelektrické parametry byly d33 = 501±10 pC/N, kp = 38.5±1.92 %, Pr = 12.19 C/cm2, TC = 108.1 °C a s maximální deformací S do 0.14 %. Pro další studium substituce v místě A, byly vyrobeny keramické materiály (Ba1-x-y Cax Cey) (Zr0.1 Ti0.9) O3 (x:Ca = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 a y;Ce = 0.00135). Opět se ukázalo, že pokud byla velikost zrn ~13um, tak keramika vykazovala vysoké piezoelektrické vlastnosti (d33 = 457pC/N) pro x = 0.15 % kalcinované na teplotě 1425 °C. Když se se velikost zrn zvýšila nad 16 um, piezoelektrický nábojový koeficient d33 klesl na 200 pC/N. Rentgenová analýza ukázala změnu fázové struktury z rombické na tetragonální při zvýšení obsahu vápníku.
|
|
|
An investigation of novel electroceramic structures for new sensor applications
Nan, Bo ; Liedermann, Karel (referee) ; Milne, Steven (referee) ; Button, Timothy William (advisor)
Piezoelektrické keramické materiály jsou široce používány v mnoha aplikacích a průmyslových odvětvích, nicméně tradiční materiály obvykle obsahují olovo, které je toxické vůči životnímu prostředí. Většina zemí proto zavedla zákony a omezení, které postupně minimalizují spotřebu olova a podporují výzkum v oblasti bezolovnatých kompozic, které by nahradily olověné protějšky. Bezolovnatá piezoelektrická keramika se tak stala žhavým tématem v posledních letech. Nicméně výzkumy na praktické využití bezolovnatých piezoelektrických materiálů jsou jen zřídka publikovány. V této diplomové práci byl vybrán jeden z nadějných kandidátů na piezoelektrickou bezolovnatou keramiku (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3 za účelem zkoumání metody snížení jeho vysoké teploty slinování pomocí dotování uhličitanem lithným, kde syntéza prášku byla připravená pomocí techniky sol-gel. Výsledky byly srovnány s konvenčním práškem syntetizovaným v pevné fázi. Vzorky vyrobené ze sol-gel prášku dopovaného 0.5% hmotn. uhličitanem lithným a slinované při 1300 °C po dobu 2 hodin vykazovaly d33 = 447 ± 9 pC N–1, teplotu Curie 98.7 °C a velikost zrn 7.0 ± 0.3 m. Další důležitou otázkou pro aplikace bezolovnatého piezoelektrického keramického materiálu je jeho výroba v různých konfiguracích. Použitím techniky odlévání pásky a aditivních výrobních postupů byla piezoelektrická keramika zpracována do tří různých konfigurací (2-2, 3-3 a 1-3), aby se překlenula mezera mezi materiálovými vědami a materiálovým inženýrstvím. Pro dolévání pásky byly použity suspenze na bázi oleje a vody. Pro přípravu neslinutých keramických fólií bez trhlin, byly pro odlévání na bázi oleje vyvinuty uhlíkové suspenze s obsahem pevných látek 25% hmotn. a BCZT suspenze s obsahem pevných látek 65% hmotn. Problém práškové hydrolýzy ve vodných suspenzích byl vyřešen povrchovou úpravou prášku Al(H2PO4)3, což umožnilo, aby byly tlusté vrstvy bez trhlin odlety v jednom kroku. Tlusté vrstvy slinované při 1500 °C vykazovaly relativní dielektrickou konstantu 1207, dielektrickou ztrátu 0.018 při 1 kHz, remanentní polarizaci 7.54 µC/cm2 a koercitivní síla intenzity pole (Ec) 0.23 kV/mm při 3 kV/mm. Pro tvarování BCZT v konfiguraci 3-3 a 1-3 byla použita přímá metoda tisknutí inkoustu. Pro správnou úpravu tiskového procesu byla použita inkoustová náplň s viskoelastickým chováním obsahující 41.6% obj. pevných látek BCZT a se zpracovatelskými přísadami (HPMC ~ 2.4% a PEI ~ 0.03%). Vzorky v konfiguraci 3-3, slinované při 1500 °C, vykazovaly nejvyšší dielektrické a piezoelektrické vlastnosti, kde Curieho teplota = 86 °C, tan = 0.021, remanentní polarizace = 4.56 µC/cm2 a d33 = 100 ± 4 pC/N. Vzorky v konfiguraci 1-3 slinované při 1500 °C, které byly smíchány s epoxidem, vykazovaly dielektrickou konstantu 144 a dielektrickou ztrátu 0.035 při 1 kHz. Tato práce popisuje tvarování bezolovnaté piezoelektrické keramiky s vynikajícími vlastnostmi v pokročilých strukturách jako krok k návrhu pro moderní senzorické a energy harvesting aplikace.
|
|
|
Study of the synthesis and processing conditions on the structure and properties of (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 lead-free ceramics
Bijalwan, Vijay ; Liedermann, Karel (referee) ; Olhero,, Susana Maria Henriques (referee) ; Button, Timothy William (advisor)
V poslední době je snahou nahradit klasickou komerční olovnatou piezoelektrickou keramiku bezolovnatou, z důvodu zvýšeného zájmu o ochranu životního prostředí a zdraví. Různé typy materiálů již byly navrženy, jako například (K, Na) NbO3 (KNN), (Bi, Na) TiO3 (BNT), (Bi, Na) TiO3 – BaTiO3 (BNT-BT), ale jejich piezoelektrické vlastnosti zatím nedosáhly takových hodnot jako u olovnatý chkeramik (např. olovnatý titanát olova ((Pb Zr)TiO3). Nejvíce se olovnatým materiálů blíží bezolovnatý systém na bázi (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 nebo (Ba, Ca) (Zr, Ti) O3 ((1-x)BZT-xBCT, BCZT) a to díky vysokým piezoelektrickým a dielektrickým parametrům. Nevýhodou tohoto prostředku je jeho velmi vysoká teplota slinování (1520 ° C) za účelem dosažení vysokých piezoelektrických vlastností (např. Piezoelektrické konstanty d33 > 600 pC / N). Tato práce se zabývá bezolovnatou keramikou na bázi BCZT, její výrobou a vylepšením piezoelektrických vlastností dopováním CeO2. Přidáním CeO2 (y wt.%) do (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9) O3 se výrazně snížila slinovací teplota a došlo ke zhutnění při 1350°C. U této kompozice se Curieova teplota pohybovala kolem TC~105°C a velikost zrn byla v rozmezí ~ 10-13 m. Fázový přechod z romboedrické struktury na tetragonální (R-T) byl zjištěn pomocí rentgenové spektroskopie u y = 0 - 0.1 wt.%, což koreluje s výsledky Ramanovy spektrální analýzy. Mikrostrukturní a strukturní charakteristiky byly detailně studovány v korelaci s dielektrickými, feroelektrickými a piezoelektrickými vlastnostmi. Nejlepší funkční vlastnosti byly dosaženy pro keramiku BCZT – 0.07 wt.% CeO2. Tato keramika vykazovala piezoelektrický nábojový koeficient d33 = 507±20pC/N, elektromechanický planární koeficient kp = 51.8 %, dielektrickou konstantu r = 4091±100, ztrátový činitel tan = 0.02, remanentní polarizaci Pr = 13.58C/cm2, intenzitu koercitivního pole EC = 2.13kV/cm při normovaném napětí, d33* nebo Smax/Emax = 840pm/V. Dvoustupňovou kalcinační technikou bylo docíleno homogenního růstu zrn s vysokou relativní hustotou (~ 99% teoretické hustoty). Tato kompozice BCZT- CeO2 vykazovala stálé feroelektrické, dielektrické a piezoelektrické vlastností i při velikosti zrn 10 µm. Bezolovnatá piezoelektrická keramika (Ba0.85Ca0.15-y Cey) (Zr0.1Ti0.9) O3 (BCCeZT) byla dále dopována CeO2 s cílem substituce Ce4+ v místě A krystalické mřížky. Posunutí rentgenových vrcholů k vyšším úhlům naznačuje kontrakce mřížky, což by mohlo způsobit obsazení iontů ceru v místech A této soustavy. Bylo zjištěno, že velikost zrn kolem 10 - 12 m je významná pro vysokou piezoaktivitu bezolovnaté BCCeZT keramiky. Nejvyšší piezoelektrické vlastnosti tato keramika vykazovala při y;Ce = 0.00135 a slinovaná na teplotě 1350°C/4h, kdy piezoelektrické parametry byly d33 = 501±10 pC/N, kp = 38.5±1.92 %, Pr = 12.19 C/cm2, TC = 108.1 °C a s maximální deformací S do 0.14 %. Pro další studium substituce v místě A, byly vyrobeny keramické materiály (Ba1-x-y Cax Cey) (Zr0.1 Ti0.9) O3 (x:Ca = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 a y;Ce = 0.00135). Opět se ukázalo, že pokud byla velikost zrn ~13um, tak keramika vykazovala vysoké piezoelektrické vlastnosti (d33 = 457pC/N) pro x = 0.15 % kalcinované na teplotě 1425 °C. Když se se velikost zrn zvýšila nad 16 um, piezoelektrický nábojový koeficient d33 klesl na 200 pC/N. Rentgenová analýza ukázala změnu fázové struktury z rombické na tetragonální při zvýšení obsahu vápníku.
|
guest ::
