تحلیل و بررسی اثر افزودنی‌های مولیبدن و کبالت روی خواص ساختاری و الکتریکی ماده پیزوسرامیکPZT5

محورهای موضوعی : سرامیک ها و مواد نسوز

محمد هادی همتی ¹ ( مهندسی مکانیک، مجتمع مواد و فناوری های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران )
حسین لکزیان ² ( مهندسی مکانیک، مجتمع مواد و فناوری های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران )
محمد حسین قزل ایاغ ³ ( مهندسی برق، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران )

تاریخ دریافت : 1401/10/04 تاریخ پذیرش : 1402/10/19 تاریخ انتشار : 1402/11/26

کلید واژه: پیزوالکتریک, میکروسکوپ الکترونی روبشی, سرب زیرکونات تیتانات, روش شیمیایی مرطوب, مولیبدن و کبالت,

چکیده مقاله :

هدف از این تحقیق تحلیل و بررسی اثر افزودنی‌های مولیبدن و کبالت روی خواص دی‌الکتریک، فرو الکتریک و پیزوالکتریک ماده پیزوسرامیک Pb(Zr0.52Ti0.48)O3با افزودن مولیبدن و کبالت در محل زیرکونات و تیتانات در محدوده (2– 0 ) درصد می‌باشد. بدین منظور ابتدا پودرها با روش شیمیایی تر آماده شدند. سپس برای 2 ساعت در دمای 850 درجه سانتی گراد کلسینه شدند. خواص ساختاری ترکیبات با استفاده از روش پراش اشعه ایکس (XRD) برای تایید تشکیل ترکیبات تک فاز (با ساختار پروسکایت) در دمای اتاق موردبررسی قرار گرفت. تجزیه و تحلیل ریزساختاری سطح دیسک های پخته شده با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان می‌دهد که تغییر قابل‌توجهی در اندازه دانه با افزایش مولیبدن و کبالت وجود دارد. مطالعات دقیق از خواص دی‌الکتریکPZTتغییر قابل توجه در ضریب شارژ پیزوالکتریک D33(تا 84 ℅ کاهش)، ضریب ارتباط الکترومکانیکی Keff(تا 78 ℅ کاهش)،فرکانس رزونانس Fr(تا 25 ℅ افزایش) و کیفیت مکانیکی Qm(تا 110 ℅ افزایش) را درنمونه های ساخته شده و مورد آزمون قرارگرفته نشان می‌دهد.

چکیده انگلیسی:

The purpose of this paper is to analyze the effect of molybdenum and cobalt additives on the dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties of PZT5piezoceramic material By adding molybdenum and cobalt in the location of zirconate and titanate, in the range of (0-2) percent.For this purpose, the powders were first prepared with a wet chemical method. then They were calcined for 2 hours at 850 ° C. The structural properties of the compounds were investigated using the X-ray diffraction (XRD) method to confirm the formation of single phase compounds (with perovskite structure) at room temperature. The Microstructural analysis of the surface of the sintered discs by scanning electron microscopy (SEM) shows that there is a significant change in grain size with increasing molybdenum and cobalt. Detailed studies of the dielectric properties of PZT In the samples made and tested show measurable change in the piezoelectric charge coefficient D33(Up to 84 ℅ reduction), electromechanical coupling coefficient Keff(Up to 78 ℅ reduction) , resonant frequency Fr(Up to 25 ℅ increase) and mechanical quality factor Qm (Up to 110 ℅ increase).

منابع و مأخذ:

- مراجع
[1] K. Uchino, "Ceramic actuators: principles and applications", MRS Bulletin, vol. 18, no. 4, pp. 42-4, 1993.

[2] R. Newnham & G. Ruschau, "Smart electroceramics, J. American Ceramic society", vol. 74, no. 3, pp. 463-80, 1996.

[3] P. Panda & et al., "Electromechanical and dynamic characterization of in-house-fabricatedamplified piezo actuator", Smart Materials Research, 2012.

[4] H. Rukmini & et al., "Effect of sintering temperature on Na-modified PLZT ceramics", Materials Chemistry and Physics, vol. 64, no. 3, pp. 171-178, 2000.

[5] G. H. Haertling, "Ferroelectric ceramics: history and technology", American Ceramic Society, vol. 82, no. 4, pp. 797-818, 1999.

[6] B. Sahoo & P. Panda, "Fabrication of simple and ring-type piezo actuators and their characterization", Smart Materials Research, 2012.

[7] J. Zamani, M. Hemati & M. Bidkhori, "Designing and Manufacturing Dynamic Pressure Sensors Using Piezoceramic-Based ThickFilms", Journal of Aerospace Mechanics, vol. 11, no. 1, 2015.

[8] E. Boucher & et al., "Effects of Zr/Ti ratio on structural, dielectric and piezoelectric properties of Mn-and (Mn, F)-doped lead zirconate titanate ceramics", Ceramics international, vol. 32, no. 5, pp. 479-485, 2006.

[9] A. P. Barranco & et al., "Effects of MnO2 additive on the properties of PbZrO3–PbTiO3–PbCu1/4Nb3/4O3 ferroelectric ceramic system", European Ceramic Society, vol. 21, no. 4, pp. 523-529, 2001.

[10] H. Li & et al., "High electrical properties of W-additive Mn-modified PZT–PMS–PZN ceramics for high power piezoelectric transformers", Materials Science and Engineering: B, vol. 130, no. 1-3, pp. 288-294, 2006.

[11] H. Du & et al., "Effect of addition of MnO2 on piezoelectric properties of PNW–PMS–PZT ceramics", Materials Science and Engineering: A, vol. 421, no. 1-2, pp. 286-289, 2006.

[12] B. Guiffard & et al., "Influence of donor co-doping by niobium or fluorine on the conductivity of Mn doped and Mgdoped PZT ceramics", European Ceramic Society, vol. 25, no. 12, pp. 2487-2490, 2005.

[13] V. Klimov, N. Selikova & A. J. I. M. Bronnikov, "Effect of MnO2, Bi2O3, and ZnO additions on the electrical properties of lead zirconate titanate piezoceramics", Inorganic materials, vol. 42, no. 5, pp. 573-577, 2006.

[14] B. Cherdhirunkorn & D. J. I. F. Hall, "The effect of sintering processes on the properties of Mn-F doped PZT ceramics", Integrated Ferroelectrics, vol. 62, no. 1, pp. 61-67, 2004.

[15] A. Garg & D. Agrawal, "Effect of rare earth (Er, Gd, Eu, Nd and La) and bismuth additives on the mechanicaland piezoelectric properties of lead zirconatetitanate ceramics", Materials Science and Engineering: B, vol. 86, no. 2, pp. 134-143, 2001.

[16] D. Liufu, "Compositions for high power piezoelectric ceramics", U.S. Patent US7494602B2, 2009.
[17] M. P. Zheng & et al., "Effect of valence state and incorporation site of cobalt dopants onthe microstructure and electrical properties of 0.2 PZN–0.8PZT ceramics", Acta Materialia, vol. 61, vol. 5, pp. 1489–1498, 2013.

[18] B. Cherdhirunkorna, & et al., "The effect of nitrogen ion implantation on the physical and dielectricproperties of cobalt-doped PZT ceramics", Results in Physics, vol. 16, pp.102851, 2020.

[19] Z. Zhang & et al., "Comparative study of effects of Mo and Wdopants on the ferroelectric property of Pb (Zr 0.3 Ti 0.7) thin films", Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 41, no. 13, pp. 135402-135408, 2008.

[20] W. Thamjaree, W. Nhuapeng & T. Tunkasiri, "Structuraland physical properties of Nd-doped Pb (Zr 0.52Ti 0.48)O3 ceramics", Ferroelectric Letters, vol. 32, no. 1-2, pp. 41–47, 2005.

[21] R. Zachariasz & et al., "Influence of the Nb and Ba dopands on the properties of the PZT type ceramics," Archives of Metallurgy and Materials, vol. 56, no. 4, pp. 1217-1222, 2011.

[22] B. Sahoo & P. K. Panda, "Ferroelectric, dielectric andpiezoelectric properties of Pb 1-x Ce x (Zr 0.60 Ti 0.40)O3,0≤x≤0.08", Journal of materials science, vol. 42, no. 23, pp. 9684–9688, 2007.

[23] M. J. Hoffmann & et al., "Correlation between microstructure, strain behavior,and acoustic emission of soft PZT ceramics", Acta Materialia, vol. 49, no. 7. Pp. 1301–1310, 2001.

8- پی¬نوشت

[1] Morphotropic Phase Boundary (MPB)
[2] X-Ray Diffraction (XRD)
[3] Scanning Electron Microscope (SEM)
[4] Wet Chemistry