مواد و فناوری‌های پیشرفته

مواد و فناوری‌های پیشرفته

تهیه تیتانات زیرکونات سرب به روش حالت جامد دومرحله‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای و بررسی اثر افزودنی اکسید نیوبیم بر خواص الکتریکی آن

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان
محیاسادات حسینی 1
علیرضا آقایی 2
رضا ایران خواه 3
اعظم موسوی 4
رضا طبرزدی 5
1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی، قزوین، قزوین، ایران
2 دانشیار، پژوهشکده سرامیک، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران
3 استادیار، دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه سمنان، سمنان، سمنان، ایران
4 استادیار، گروه مهندسی مواد، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، تهران، ایران
5 استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه امام حسین، تهران، تهران، ایران
10.30501/jamt.2022.319389.1202
چکیده
در این پژوهش، تیتانات زیرکونات سرب (PZT) و تیتانات زیرکونات سرب آلاییده‌شده با اکسید نیوبیم (PZTN) به روش حالت جامد دومرحله‌ای تهیه شدند. ابتدا تیتانات زیرکونیم (ZT) در دمای 1450 درجه سلسیوس به مدت 4 ساعت تهیه شد. در مرحله بعد، PZT با استفاده از تکلیس مقدار مناسبی از اکسید سرب (PbO) و ZT سنتز شد. تکلیس مخلوط PbO و ZT در دمای 850 درجه سلسیوس انجام شد. PZT تهیه‌شده با درصدهای گوناگون 02/0، 05/0 و 12/0 درصد مولی از نیوبیم آلاییده شد. قرص‌های تهیه‌شده از پودرهای PZT و PZTN در دمای 1300 درجه سلسیوس تف‌جوشی شدند. خواص الکتریکی نمونه‌ها در بسامد یک کیلوهرتز بررسی شد. نتایج نشان داد، با افزایش غلظت نیوبیم تا مقدار 05/0 درصد مولی در نمونه‌های PZTN، d33، ثابت دی‌الکتریک نسبی، و فاکتور اتلاف دی‌الکتریکی افزایش می‌یابند و با افزودن مقادیر بیشتر تا 12/0‌‌ درصد مولی، مقادیر این خواص کاهش می‌یابند. مقادیر خواص ذکرشده در نمونه آلاییده‌شده با 05/0 مولی به‌ترتیب برابر (pC/N)360، 1400 و 4/2 به‌دست آمد.
کلیدواژه‌ها
تیتانات زیرکونات سرب
سنتز حالت جامد دومرحله‌ای
تیتانات زیرکونات سرب آلاییده‌شده با نیوبیم
خواص الکتریکی

موضوعات

عنوان مقاله English

Synthesis of PZT by Two-Step Solid State Reaction and Evaluation of the Effect of Nb2O5 Doping on Its Electrical Properties

نویسندگان English

Mahya Sadat Hoseini 1
Alireza Aghaei 2
Reza Irankhah 3
Azam Moosavi Kashi 4
Reza Tabarzadi 5
1 M. Sc., Faculty of Material Engineering, Imam Khomeini International University, Ghazvin, Ghazvin, Iran
2 Associate Professor, Department of Ceramic, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran
3 Assistant Professor, Faculty of Materials and Metallurgical Engineering, Semnan University, Semnan, Semnan, Iran
4 Assistant Professor, Department of Materials Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Tehran, Iran
5 Assistant Professor, Department of Materials Engineering, Imam Hossain University, Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Abstract     In this study, lead zirconate titanate (PZT) and Nb-doped PZT (PZTN) were synthesized by two-step solid-state reaction method. To this end, ZrTiO4 (ZT) was first synthesized at 1450 °C for four hours. In the next step, PZT was synthesized by calcination of appropriate amounts of PbO and ZT. Calcination of (PbO+ZT) was performed at 850 °C. Next, the prepared PZT powder was doped by 0.02, 0.05, and 0.12 mol % of Nb2O5. The cylindrical pellets of the PZT and PZTN powders were sintered at 1300 °C. The electrical properties of PZT and PZTN samples were studied at 1 KHz. The experimental results indicated that upon increasing the amount of Nb up to 0.05 mol % in the PZTN samples, the piezoelectric charge coefficient (d33), relative dielectric constant (εr), and dissipation factor (tanδ) would also increase. However, the increase in the amount of Nb over 0.05 resulted in a negative effect on the electrical properties. The values of the mentioned electrical properties in the 0.05Nb-doped sample were 360 pC/N, 1400, and 2.4, respectively.

کلیدواژه‌ها English

PZT
Two-Step Solid-State Synthesis
PZTN
Electrical Properties
  1. Qiu, C., Wang, B., Zhang, N., Zhang, S., Liu, J., Walker, D., Wang, Y., Tian, H., Shrout, T. R., Xu, Z., Chen, L. Q., Li, F., "Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity", Nature, Vol. 577, No. 7790, (2020), 350-354. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1891
  2. Jo, W., Dittmer, R., Acosta, M., Zang, J., Groh, C., Sapper, E., Wang, K., Rödel, J., "Giant electric-field-induced strains in lead-free ceramics for actuator applicationsestatus and perspective", Journal of Electroceram, Vol. 29, No. 1, (2012), 71-93. https://doi.org/10.1007/s10832-012-9742-3
  3. Moulson, A. J., Herbert, J. M., Electroceramics: Materials, Properties, Applications, Second Edition, John Wiley & Sons Ltd., (2003). https://doi.org/10.1002/0470867965
  4. Yi, L., Moon, K. S., Wong, C. P., "Electronics without lead", Science, Vol. 308, No. 5727, (2005), 1419-1420. https://doi.org/10.1126/science.1110168
  5. Takenaka, T., Maruyama. K. I., Sakata, K., "(Bi1/2Na1/2)TiO3-BaTiO3 system for lead-free piezoelectric ceramics". Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 9S, (1991), 2236. https:///doi.org/10.1143/JJAP.30.2236
  6. Nagata, H., Takenaka, T., "Additive effects on electrical properties of (Bi1/2Na1/2)TiO3 ferroelectric ceramics", Joural of the European Ceramic Society, 21, No. (10-11), (2001), 1299-1302. https://http://dx.doi.org/10.1016/S0955-2219(01)00005-X
  7. Li, J. W., Liu, Y. X., Thong, H. C., Du, Z., Li, Z., Zhu, Z. X., Nie, J. K., Geng, J. F., Gong, W., Wang, K., "Effect of ZnO doping on (K,Na)NbO3-based lead-free piezoceramics: Enhanced ferroelectric and piezoelectric performance", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 847, (2020), 155936. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155936
  8. Panda, P. K., "Environmental friendly lead-free piezoelectric material", Journal of Materials Science, Vol. 44, No. 19, (2009), 5049-5062. https://doi.org/10.1007/s10853-009-3643-0
  9. Ringgaard, E., Wurlitzer, T., Wolny, W. W., "Properties of lead-free piezoceramics based on alkali niobates", Ferroelectrics, Vol. 319, No. 1, (2005), 97-107. https://doi.org/10.1080/00150190590965497
  10. Takenaka, T., Nagata, H.,"Current status and prospects of lead-free piezoelectric ceramics", Journal of European Ceramic Society, Vol. 25, No. 12, (2005), 2693-2700. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.03.125
  11. Liu, W., Ren, X., "Large piezoelectric effect in Pb-free ceramics", Physical Review Letters, Vol. 103, No. 25, (2009), 257-602. https://doi.org/10.1021/jacs.7b10449
  12. Isupov, V. A., "Phases in the PZT ceramics", Ferroelectrics, Vol. 266, No. 1, (2002), 91-102. https://doi.org/10.1080/00150190211444
  13. Rahaman, M. N., Ceramic Processing and Sintering, CRC Press, 2nd Edition, (2006). https://doi.org/10.1201/9781315274126
  14. Tipakontitikul, R., Ananta, S., "A modified two-stage mixed oxide synthetic route to lead zirconate titanate powders", Materials Letters, Vol. 58, No. (3-4), (2004), 449-454. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(03)00523-8
  15. Garg, A., Agrawal, D. C., "Effect of rare earth (Er, Gd, Eu, Nd, and La) and bismuth additives on the mechanical and piezoelectric properties of lead zirconate titanate ceramics", Materials Science Engineering B, Vol. 86, No. 2, (2001), 134-143. http://dx.doi.org/10.1016/S0921-5107(01)00655-9
  16. Morozov, M. I., Damjanovic, D., "Charge migration in Pb(Zr,Ti)O3 ceramics and its relation to ageing, hardening, and softening", Journal of Applied Physics, Vol. 107, No. 3, (2010), 034106. https://doi.org/10.1063/1.3284954
  17. Zhou, T., Wang, S., Gu, H., He, Y., Kuang, A., Sun, W., "The effect of doping Sb2O3 in high d33.g33 PZT piezoelectric ceramics", Ferroelectrics, Vol. 195, No. 1, (1997), 101-104. https://doi.org/10.1080/00150199708260497
  18. Sahoo, B., Panda, P. K., "Effect of lanthanum, neodymium on piezoelectric, dielectric and ferroelectric properties of PZT", Journal of Advanced Ceramics, Vol. 2, No. 1, (2013), 37-41. http://dx.doi.org/10.1007/s40145-013-0039-z
  19. Chu, S. Y., Chen, T. Y., Tsai, I. T., Walter, W., "Doping effects of Nb additives on the piezoelectric and dielectric properties of PZT ceramics and its application on SAW device", Sensors and Actuators A, Vol. 113, No. 2, (2004), 198-203. http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2004.02.020
  20. Chen, B. H., Huang, C. L., Wu, L., "Promotion of piezoelectric properties of lead zirconate titanate ceramics with (Zr,Ti) partially replaced by Nb2O5", Solid-State Electronics, Vol. 48, No. 12, (2004), 2293-2297. https://doi.org/10.1016/j.sse.2004.04.007
  21. Pereira, M. P. A. G., Peixoto, A. G., Gomes, M. J. M., "Effect of Nb doping on the microstructural and electrical properties of the PZT ceramics", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 21, No. (10-11), (2001), 1353-1356. http://dx.doi.org/10.1016/S0955-2219(01)00017-6
  22. Pojucan, M. M. S., Santos, M. C. C., Pereira, F. R., Pinheiro, M. A. S., Andrade, M. C., "Piezoelectric properties of pure and (Nb 5++ Fe 3+) doped PZT ceramics", Ceramics International, Vol. 36, No. 6, (2010), 1851-1855. http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.03.025
  23. Zheng, H., Reaney, I. M., Lee, W. E., Jones, N., Thomas, H., "Effect of strontium substitution in Nb-doped PZT ceramics", Journal of European Ceramic Society, Vol. 21, No. (10-11), (2001), 1371-1375. https://doi.org/10.1016/S0955-2219%2801%2900021-8
  24. Kumar, B. P., Sangawar, S. R., Kumar, H. H., "Structural and electrical properties of double doped (Fe 3+ and Ba 2+) PZTelectroceramics", Ceramics International, Vol. 40, No. 2, (2014), 3809-3812. https://doi.org/10.1016/j.physb.2020.412522
  25. Ramam, K., Lopez, M., "Effect of strontium doping on dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of PLZTN ceramics", Materials Science and Engineering: B, Vol. 145, No. (1-3), (2007), 41-47. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2007.09.085
  26. Singh, V., Kumar, H. H., Kharat. D. K., Hait, S., Kulkani, M., "Effect of lanthanum substitution on ferroelectric properties of niobium doped PZT ceramics", Materials Letters, Vol. 60, No. 24, (2006), 2964-2968. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.02.041

 

 

مواد و فناوری‌های پیشرفته
دوره 11، شماره 4
زمستان 1401
صفحه 55-64

  • تاریخ دریافت 23 آذر 1400
  • تاریخ بازنگری 22 دی 1400
  • تاریخ پذیرش 29 دی 1400