مطالعه تاثیر افزودن بیسموت قبل و بعد از کلسیناسیون بر خواص الکتریکی پیزوسرامیک‌های (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3

محورهای موضوعی : سرامیک ها و مواد نسوز

راضیه حیاتی ¹ , محمد علی بهره ور ²

1 - گروه مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران
2 - پژوهشکده نیمه هادی، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج

تاریخ دریافت : 1396/11/05 تاریخ پذیرش : 1398/03/28 تاریخ انتشار : 1398/03/28

کلید واژه: خواص الکتریکی, Bi2O3, پیزوسرامیک بدون سرب, BCZT, زینتر,

چکیده مقاله :

ترکیب پیزوالکتریک عاری از سرب Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT) با استفاده از روش متداول سرامیک‌ها سنتز و اثر افزودن 1/0% مولی Bi2O3 بر فرایند زینتر و خواص دی الکتریک، فروالکتریک و پیزوالکتریک این ترکیب مطالعه شد. در راستای کاهش اتلاف بیسموت در دماهای بالای کلسیناسیون و زینتر BCZT، ، دو روش متفاوت برای افزودن بیسموت به ساختار این ترکیب بکار گرفته شد؛ در روش اول، Bi2O3 مطابق فرمولاسیون ([(Ba0.85,Ca0.15)1-xBi3x/2](Zr0.1,Ti0.9)O3 با جبران بار در مکان‌های A-ی ساختار با سایر مواد اولیه مخلوط گردید و در روش دوم، ابتدا ترکیب BCZT سنتز و سپس Bi2O3 بدون جبران بار با این ترکیب مخلوط شد و پس از شکل دهی، سرامیک‌های BCZT-Bi زینتر گردیدند. آنالیزهای فازی و ریزساختاری با استفاده از تکنیک پراش اشعه‌‌ی X (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) انجام گردید. نمودارهای وابستگی دمایی و فرکانسی خواص دی الکتریک، بیانگر آن بود که با اضافه کردن 1/0% مولی Bi2O3 این سرامیک‌ها از رفتار طبیعی مواد فروالکتریک تبعیت می کنند. نتایج به دست آمده حاکی از آن بود که اضافه کردن بیسموت بعد از سنتز BCZT نسبت به روش دوم در افزایش چگالی و بهبود خواص الکتریکی موثرتر می‌باشد. در دمای زینتر °C1350 برای ترکیب BCZT-Bi0.1 ضرایب پیزوالکتریک مستقیم و معکوس، فاکتور جفت‌شدگی الکترومکانیکی و قطبش باقی مانده به ترتیب d33=325 pC/m، d33*=675 pm/V، kp=0.42 و Pr=10.4 µC/cm2 به دست آمد.

چکیده انگلیسی:

Lead-free Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT) compounds were synthesized using the conventional solid state ceramic processing and the effects of Bi2O3 addition on density and electrical properties was investigated. In order to decrease the loss of Bi at high processing temperatures of BCZT, two methods were employed to introduce bismuth oxide; one, in which Bi2O3 was mixed with the raw materials and the composition was balanced for A-site substitution before calcination and the other where Bi2O3 (0.1mol%) was added after calcination, milled, compacted, and sintered (1350-1500 °C) with no compensation at A or B-sites. Phase and microstructure analyses were carried out using x-ray diffractometry and scanning electron microscopy. The temperature and frequency dependence of dielectric properties showed a normal ferroelectric behavior. Our results revealed that Bi incorporation based on the second method was more effective in increasing the density and improving the electrical properties. The highest direct and converse piezoelectric constants, planar coupling factor, and remnant polarization obtained were d33=325 pC/m, d33*=675 pm/V (d33*/d33=2.1), kp=0.42, and Pr=10.4 µC/cm2, respectively, for the BCZT sample with 0.1 mol% Bi2O3, as sintering aid, sintered at 1350 °C, which were attributed to the larger grains and higher density of the corresponding composition.

منابع و مأخذ:

 

[1]     J. Rödel, et al., “Perspective on the development of lead-free piezoceramicsˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 92, pp. 1153-1177, 2009.

 

[2]     L. E. Cross & R. E. Newnham, “History of Ferroelectrics, in Ceramics and civilization: High-technology Ceramics-Past, present and future, W.D. Kingery, Editorˮ, The American Ceramic Society Inc.: USA, 1986.

 

[3]     F. Bourguiba, et al., “Effect of iron and tungsten substitution on the dielectric response and phase transformations of BaTiO3 pervoskite ceramicˮ, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 686, pp. 675-683, 2016.

 

[4]     J. P. Ma, et al., “Microstructure, dielectric, and energy storage properties of BaTiO3 ceramics prepared via cold sinteringˮ, Ceramics International, Vol. 44, No. 4, pp. 4436-4441, 2018.

 

[5]     X. Wang, H. Lai-Wa Chan & C. L. Choy, “Positive temperature coefficient of resistivity effect in niobium-doped barium titanate ceramics obtained at low sintering temperatureˮ, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 24, No. 6, pp. 1227-1231, 2004.

 

[6]     C. Gao, et al., “Nanocrystalline semiconducting donor-doped BaTiO3 ceramics for laminated PTC thermistorˮ, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 37. No. 4, pp. 1523-1528, 2017.

 

[7]     Y. Cui, et al., “Lead-free (Ba0.85Ca0.15) (Ti0.9Zr0.1) O3–CeO2 ceramics with high piezoelectric coefficient obtained by low-temperature sinteringˮ, Ceramics International, Vol. 38, No. 6, pp. 4761-4764, 2012.

 

[8]     Y. Cui, et al., “Lead-free (Ba0.85Ca0.15) (Ti0.9Zr0.1) O3-Y2O3 ceramics with large piezoelectric coefficient obtained by low-temperature sinteringˮ, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 24, No. 2, pp. 654-657, 2013.

 

[9]     Y. Cui, et al., “Lead-free (Ba0.7Ca0.3) TiO3-Ba(Zr0.2Ti0.8) O3-xwt %CuO ceramics with high piezoelectric coefficient by low-temperature sinteringˮ, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 23, No. 7, pp. 1342-1345, 2012.

 

[10] H. Du, et al., “Microstructure, Piezoelectric, and Ferroelectric Properties of Bi2O3-Added (K0.5Na0.5) NbO3 Lead-Free Ceramicsˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 90, No. 9, pp. 2824-2829, 2007.

 

[11] H. Du, et al., “Microstructure, Piezoelectric, and Ferroelectric Properties of Bi2O3-Added (K0.5Na0.5) NbO3 Lead-Free Ceramicsˮ, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 90, No. 9, pp. 2824-2829, 2007.

 

[12] F. Bahri, et al., “Classical or Relaxor Ferroelectric Behaviour of Ceramics with Composition Ba1—xBi2x/3TiO3ˮ, physica status solidi A, Vol. 184, No. 2, pp. 459-464, 2001.

 

[13] F. Bahri & H. Khemakhem, “Relaxor behavior and dielectric properties of Ba1−xBi2x/3Zr0.15Ti0.85O3 solid solutionˮ, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 593, pp. 202-206, 2014.

 

[14] J. Zhang, et al., “Dielectric and ferroelectric responses of Ba0.99 − xBi2x/3Ca0.01Zr0.02Ti0.98O3 ceramicsˮ, Materials Research Bulletin, Vol. 69, pp. 51-55, 2015.

 

[15] R. Hayati, et al., “Effects of Bi2O3 additive on sintering process and dielectric, ferroelectric, and piezoelectric properties of (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9) O3 lead-free piezoceramicsˮ, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 36, No. 14, pp. 3391-3400, 2016.

 

[16] J. Liu, et al., “Dielectric permittivity and electric modulus in Bi2Ti4O11ˮ, The Journal of Chemical Physics, Vol. 119, No. 5, pp. 2812-2819, 2003.

 

[17] N A. Lomanova, et al., “Properties of aurivillius phases in the Bi4Ti3O12-BiFeO3 systemˮ, Inorganic Materials, Vol. 42, No. 2, pp. 189-195, 2006.

 

[18] R. Hayati, “Optimizing the composition of lead free (Ba1-xCax) (ZryTi1-y) O3 piezoceramics in order to facilitate the sintering process and promote the electrical propertiesˮ, PhD Dissertation, Materials & Research Center, Iran, 2016.

 

[19] N. A. Lomanova, V. L. Ugolkov & V. V. Gusarov, “Thermal behavior of layered perovskite-like compounds in the Bi4Ti3O12-BiFeO3 systemˮ, Lass Physics and Chemistry, Vol. 33, No. 6, pp. 608-612, 2007.