نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 استادیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه یاسوج، یاسوج، کهگیلویه و بویر احمد، ایران
2 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد، دانشگاه شیراز، شیراز، فارس، ایران
چکیده
در این پژوهش، الیاف PZT با استفاده از پودر تجاری PZT-5A و افزودنیهای پلیمری و حلال آب دیونیزه تهیه شد. رفتار رئولوژی خمیرهای مختلف با مقادیر جامد و افزودنی های متفاوت بررسی شد و بهترین خمیر برای تزریق توسط سرنگ (فرایند اکستروژن) انتخاب شد. در این میان خمیر حاوی 85 % جامد و 1 % وزنی گلیسرول که با استفاده از محلول 15 % وزنی PVA تهیه شد، دارای بهترین رفتار رئولوژی بود. الیاف به دست آمده در دمای °C 100 خشک شده و فرایند چسب زدائی در دمای °C 600 با نرخ °C/min 1 به مدت ۲ ساعت انجام گردید. فرایند تفجوشی در محدوده دمای °C 1220-1270 در زمان های ۴-5/2 ساعت انجام شد. بررسی های فازی انجام شده توسط آنالیز پراش اشعه X نشان داد که الیاف به دست آمده در دمای °C 1220 دارای ساختار تک فاز پروسکایت PZT می باشد، اما با افزایش دمای تفجوشی، پیک های ثانویه مربوط به اکسیدهای زیرکونیوم و تیتانیوم در الگوهای پراش الیاف مشاهده شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی از سطح الیاف نشان داد الیاف تفجوشی شده در دمای °C 1220 به مدت ۲ ساعت عاری از هرگونه ترک و دارای چگالی قابل قبول بود. بعلاوه، بر اساس تصاویر SEM میانگین قطر این نمونه حدود µm 300 محاسبه شد. تصاویر سطح شکست الیاف نشان داد که این نمونه دارای ریزساختاری با دانه های مکعبی با میانگین اندازه دانه µm 5/1 بود که حدود نصف میانگین دانه های PZT بالک با دانه های کروی در دمای بهینه تفجوشی بود
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Investigating the Effects of Sintering Variables on Microstructure and Density of PZT Fibers Fabricated via Extrusion Process
نویسندگان [English]
- Raziye Hayati 1
- Iman Fereydoonpoor 2
- Reza Fadaee 2
1 Assistant Professor, Department of Materials Engineering, Yasouj University, Yasouj, Kohgiluyeh and Boyer Ahmad, Iran
2 M. Sc., Department of Materials Engineering, University of Shiraz, Shiraz, Fars, Iran
چکیده [English]
In this research, PZT fibers were fabricated using PZT-5A commercial powder, polymeric additives, and deionized water as a solvent. The rheological behavior of different pastes with various amounts of solids and additives was investigated, and the best paste was selected for syringe injection (extrusion process). Meanwhile, the paste containing 85 wt % solid content and 1 wt % glycerol, prepared by a 15 wt % PVA solution, exhibited the best rheological behavior. The resulting fibers were dried at 100 °C, and the burnout process was conducted at 600 °C with the heating rate of 1 °C/min for 2 hours. The sintering process occured in the temperature range of 1220-1270 °C for 2.5-4 hours. X-Ray Diffraction (XRD) analysis conducted for phase investigations revealed that the fibers sintered at 1220 °C were characterized by a single-phase perovskite structure. Further, the peak splitting confirmed the ferroelectric nature of fiber. However, at higher sintering temperatures, the secondary peaks attributed to zirconium and titanium oxides appeared in the fiber diffraction patterns. According to Scanning Electron Microscope (SEM) images from the surface of the fibers, the fibers sintered at 1220 °C for 2 hours were devoid of any cracks and possessed an acceptable density. Additionally, based on the SEM images from the fracture surface of the fibers, the microstructure of this sample comprised cuboid grains with the average size of 1.5 μm, which is half of the average grain size of bulk PZT with spherical grains at its optimum sintering temperature.
کلیدواژه‌ها [English]
- Piezoelectric
- Fiber
- PZT
- Sintering
- Microstructure
- Landau, D. P., Schuttler, H. B., Lewis, S., Bachmann, M., Bennett, J. W., "Discovery and design of functional materials: Integration of database searching and first principles calculations", Physics Procedia, 34, (2012), 14-23. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.05.003
- 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 applications–status and perspective", Journal of Electroceramics, 29, (2012), 71-93. https://doi.org/10.1007/s10832-012-9742-3
- Rödel, , Webber, K. G., Dittmer, R., Jo, W., Kimura, M., Damjanovic, D., "Transferring lead-free piezoelectric ceramics into application", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 35, (2015), 1659-1681. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.12.013
- Uchino, K., Advanced Piezoelectric Materials, Woodhead Publishing Limited, Abington Hall, Granta Park, (2010). https://www.sciencedirect.com/book/9781845695347/advanced-piezoelectric-materials
- Ozevin, D., "MEMS acoustic emission sensors", Applied Sciences, Vol. 10, No. 24, (2020), 8966. https://doi.org/10.3390/app10248966
- Strock, H. B., Pascucci, M. R., Parish, M. V., Bent, A. A., Shrout, T. R., "Active PZT fibers, a commercial production process", Proceedings of the SPIE Conference on Smart Materials Technologies, Newport Beach, California, (1999). https://doi.org/10.1117/12.352799
- Qiu, J., Tani, J., Kobayashi1, Y., Young Um, T., Takahashi, H., "Fabrication of piezoelectric ceramic fibers by extrusion of Pb (Zr, Ti)O3 powder and Pb(Zr, Ti)O3 sol mixture", Smart Materials Structure, Vol. 12, (2003), 331-337. https://doi.org/1088/0964-1726/12/3/303
- Bink, O., Nass, R., "Synthesis and characterization of PZT fibers via sol-gel", Journal of Sol-Gel Science and Technology, Vol. 13, (1998), 1023-1026. https://doi.org/10.1023/A:1008616516686
- Meyer Jr., R., Shrout, T., Yoshikawa, Sh., "Lead zirconate titanate fine fibers derived from alkoxide-based sol–gel technology", Journal of American Ceramic Society, Vol. 81, No. 4, (1998), 861-868. https://doi.org/10.1111/j.11512916.1998.tb02420.x
- Helbig, J., Glaubitt, W., Spaniol, H., Vierhaus, P., Lange, U., Hansch, R., Watzka, W., Sporn, D., "Development and technology of doped sol–gel derived lead zirconate titanate fibers", Smart Materials Structure, Vol. 12, (2003), 987-992. https://doi.org/10.1088/0964-1726/12/6/017
- Cho, K. -H., Priya, Sh., "Synthesis of ferroelectric PZT fibers using sol–gel technique", Materials Letters, Vol. 65, (2011), 775-779. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.11.070
- Bowen, C. R., Stevens, R., Nelson, L. J., Dent, A. C., Dolman, G., Su, B., Button, T. W., Cain, M. G., Stewart, M., "Manufacture and characterization of high activity piezoelectric fibres", Smart Materials Structure, Vol. 15, (2006), 295-301. https://doi.org/10.1088/0964_1726/15/2/008
- Kornmann, X., Huber, C., "Microstructure, and mechanical properties of PZT fibres", Journal of the European Ceramic Society, Vol. 24, (2004), 1987-1991. https://doi.org/10.1016/S0955_2219(03)00364-9
- French, J. D., Weitz, G. E., Luke, J. E., Cass, R. B., Jadidian, B., Janas, V., Safari, A., "Production of continuous piezoelectric fibers for sensor/actuator applications", IEEE, (1996). https://doi.org/1109/ISAF.1996.598163
- Hossain, M., Kim, A., "The effect of acetic acid on morphology of PZT nanofibers fabricated by electrospinning", Materials Letters, Vol. 63, (2009), 789792. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2009.01.005
- Cung-Hao, Y., Chia-Hsin, L., Yi-Hui Wang, W., Syh-Yuh, Ch., Horng-Yi, Ch., "Fabrication and characterization of flexible PZT fiber and composite", Ferroelectrics, Vol. 434, (2012), 91-99. https://doi.org/10.1080/00150193.2012.732513
- Meister, F., Vorbach, D., Niemz, F., Schulze, T., Taeger, E., "High-tech-cellulose-funktionspolymere nach dem ALCERU-verfahren", Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Vol. 34, (2003), 262-266. https://doi.org/10.1002/mawe.200390056
- Heiber, J., Belloli, A., Ermanni, P., Clemens, F., "Ferroelectric characterization of single PZT fibers", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20, No. 4, (2008), 379-385. https://doi.org/10.1177/1045389X08094365
- "1-3 piezocomposite & transducers for ultrasound applications, 1-3 Composites Overview”, Available at smart-material.com.
- Chang, H. -Y., Yi, C. -H., Lin, C. -H., Cheng, S. -Y., "Surface-condensed piezoelectric fibers and composites", Materials Chemistry and Physics, 148, No. 3, (2014), 512-518. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2014.05.019
- Carazzone, J. R., Martin, Ch. L., Cordero, Z. C., "Crack initiation, propagation, and arrest in sintering powder aggregates", Journal of American Ceramic Society, Vol. 103, No. 9, (2020), 4754-4773. https://doi.org/10.1111/jace.17170
)