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 , حسین لکزیان ² , محمد حسین قزل ایاغ ³

1 - مهندسی مکانیک، مجتمع مواد و فناوری های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران
2 - مهندسی مکانیک، مجتمع مواد و فناوری های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران
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

متن کامل:



فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هفدهم –  شماره چهارم –  زمستان 1402 (شماره پیاپی 67)، ص­ص. 43-50
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

تحلیل و بررسی اثر افزودنی‌های مولیبدن و کبالت روی خواص ساختاری و الکتریکی ماده پیزوسرامیک PZT5

 

محمدهادی همتی 1،

مقاله پژوهشی

 حسین لکزیان 2*، محمدحسین قزل‌ایاغ3

1- دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، مجتمع مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

2- استادیار مهندسی مکانیک، مجتمع مواد و فناوری‌های ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

3- دانشیار مهندسی برق، مجتمع مهندسي برق و كامپيوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

* [e-mail]

 

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 04/10/1401 پذیرش: 15/02/1402		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)O3 با افزودن مولیبدن و کبالت در محل زیرکونات و تیتانات در محدوده (2– 0) درصد می‌باشد. بدین منظور ابتدا پودرها با روش شیمیایی‌تر آماده شدند. سپس برای 2 ساعت در دمای 850 درجه سانتی‌گراد کلسینه شدند. خواص ساختاری ترکیبات با استفاده از روش پراش اشعه ایکس (XRD) برای تأیید تشکیل ترکیبات تک فاز (با ساختار پروسکایت) در دمای اتاق موردبررسی قرار گرفت. تجزیه و تحلیل ریزساختاری سطح دیسک‌های 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 دی‌الکتریک PZT تغییر قابل‌توجه 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 در نمونه‌های ساخته شده و مورد آزمون قرارگرفته نشان می‌دهد.
کلید واژگان: سرب زیرکونات تیتانات میکروسکوپ الکترونی روبشی روش شیمیایی‌تر پیزوالکتریک مولیبدن کبالت

 

Analysis of the Effect of Molybdenum and Cobalt Additives on the Structural and Electrical Properties of PZT5 Piezoceramic Material

 

Mohammad Hadi Hemati1, Hosein Lexian2*, Mohammad Hosein Ghezel Ayagh2

 

1- PH.D. Student, Mech. Eng., Complex of Materials & Manufacturing Processes, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

2- Assic. Prof., Mech. Eng., Complex of Materials & Manufacturing Processes, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

3- Asoci. Prof., Elect. Eng., Complex of Electrical and Computer Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.

* [e-mail]

 

Abstract		Article Information
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).		Original Research Paper Doi:
		Keywords: Lead Titanium Zirconate Scanning Electron Microscope Wet Chemical Method Piezoelectric Molybdenum Cobalt

 

 

1- مقدمه

تیتانات زیرکونات سرب (PZT) به‌عنوان یکی از مواد پیزوالکتریک که بسیار موردمطالعه قرارگرفته، برای کاربردهای مختلف در نظر گرفته می‌شود. در حال حاضر، این مواد دارای بیشترین کاربرد در کنترل ارتعاشات در صنعت هوافضا، کنترل دقیق جریان به‌عنوان جایگزینی برای کنترل‌کننده‌های جریان مبتنی بر سلونویید، سیستم تزریق سوخت در صنعت خودرو، برداشت انرژی از منابع مختلف ارتعاش و ... می‌باشد [1-3]. این کاربردهای مواد PZT نیاز به توسعه مواد با خواص بسیار عالی را ایجاد می‌کند. سرب زیرکونات تیتانات  محلول جامد از فرو الکتریک oC 490(PbTiO3) Tc= و ضد فرو الکتریکoC 230(PbZrO3) Tc= می‌باشد [4]، دارای ساختار پروسکایت با شکل کلی ABO3 است. (A یون‌های تک یا دو ظرفیتی؛ B یون‌های سه - شش ظرفیتی). به دلیل ثابت دی‌الکتریک، ضرایب پیزوالکتریک و پیروالکتریک بالا، قطبش خود به خود و دمای کوری بسیار بالاتر از دمای اتاق، با نسبت‌های  متفاوت به‌طور گسترده‌ای برای انواع مختلف دستگاه‌های پیزوالکتریک، پیرو الکتریک و فرو الکتریک استفاده‌شده است. در PZT، ویژگی‌ها با افزودن افزودنی‌های مختلف در محل A یا B زیاد یا منحصربه‌فرد می‌شوند. این افزودنی‌ها اساساً دو نوع هستند: افزودنی‌های اهداکننده، مانند ، ،  و  که PZT نرم تولید می‌کنند [5] و افزودنی‌های پذیرنده، مانند ، ،  و  که PZT سخت تولید می‌کنند [6]. افزودنی‌های نرم حرکت دیواره حوزه‌ها را تسهیل می‌کنند؛ بنابراین، خواص الکترونیکی در مقایسه با PZT بدون افزودنی بسیار بهتر می‌شود. همتی و همکاران استفاده از این مواد به‌عنوان عنصر حسگر در سنسورهای فشار دینامیکی را بررسی کردند [7]. برای دستیابی به مواد مناسب برای کاربردهای مختلف تلاش‌های زیادی برای اصلاح PZT با جایگزینی عناصر مناسب در مکان‌های A/B یا ساخت کامپوزیت‌ها با آن صورت گرفته است [8-10]. کارهای زیادی روی انواع مختلف اصلاحات PZT در هر دو شکل لایه‌های نازک و حجیم، ازجمله اصلاحات PZT با جایگزینی منگنز در مکان‌های A/B انجام ‌شده است [11-12]. بیشتر گیفارد و همکاران [12] مکانیزم­های رسانایی ترکیب ‌شده دوگانه را درPZT  (Mn با Nb/F)(Pb0.89(Ba,Sr)0.11(Zr0.52Ti0.48)O3) گزارش کردند. کلیموف و همکاران [13] خواص ساختاری و پیزوالکتریک Pb0.96 Sr0.04 (Zr0.5275 Ti0.4675 Mn0.005)O3 را مطالعه کردند. هال و چردیرونکورن [14] اثرات تف جوشی روی فاز و ریزساختار (Zr0.52Ti0.48)1-x MnxO3-y Fy) Pbرا مطالعه کردند. گارگ و آگراوال [15] به بررسی خواص مکانیکی، پیزوالکتریک و دی‌الکتریک سرامیکPb0.98M0.02 [(Zr 0.535Ti 0.465)0.995] O3 با M=Er, Gd, Eu, Nd, La, Bi  پرداختند. لیوفو [16] در پژوهش خود یک‌ سرامیک پیزوالکتریک با فرمول شیمیاییPb (1-Z) MZ (Mg1/3Nb2/3)X (ZryTi1-y) 1-x O3 معرفی کرد که M می‌تواند Sr یا Ba یا هر دو باشد و  بین 1/0 و 7/0،  بین 2/0 تا 7/0 و  بین 02/0 تا 1/0 می‌باشد. مواد افزودنی CoCO3، MoO3، MnO2، Ni2O3، Nb2O5، Ta2O5، TeO3 و Y2O3 به سرامیک پیزوالکتریک اضافه شد. ژنگ و همکاران ]17[ روی ترکیب Pb((Zn1/3Nb2/3)0.20(Zr0.50Ti0.50)0.80)O3 با افزودن CoCO3 تحقیق کردند. چردیرونکورنا و همکاران [18] در تحقیق خود، سرامیک‌های PZT ترکیب‌شده با کبالت Pb(Zr0.52Ti0.48)1-xCoxO3، را که در آن  برابر 005/0، 010/0، 015/0 و 02/0 می‌باشد، مورد مطالعه قرارداد. ژن ژانگ و همکاران [19] بررسی تطبیقی​​ اثرات ناخالصی‌های Mo و W بر خاصیت فرو الکتریک لایه‌های نازک Pb(Zr 0.3 Ti 0.7) را انجام دادند. ثمجری و همکاران [20] توسعه تشکیل فاز Nd را در PZT مورد مطالعه قرار دادند. بااین‌حال، به‌ندرت مطالعه‌ای در مورد تأثیر ترکیب Mo و یا Co بر خواص PZT انجام شده است.

در این مطالعه، تلاش شده است تا تأثیر هر دو ماده افزودنی بر روی خواص ریزساختار، پیزوالکتریک، دی‌الکتریک و فرو الکتریک PZT بررسی شود. تازگی این پژوهش مشخصه یابی و مطالعات ساختاری، دی‌الکتریک و الکتریکی جایگزینی مولیبدن و کبالت در مکان B، PZT با نسبت Zr/Ti برابر با 48/52 است. این نسبت Zr0.52Ti0.48 بخشی از این پژوهش را تشکیل می‌دهد که شامل نسبت‌ها در و اطراف MPB است. اکثریت مطالعات گزارش‌شده از نسبت Zr/Ti متفاوت با این تحقیق استفاده کرده‌اند و هیچ یک اثر هم‌زمان مولیبدن و کبالت را بررسی نکرده‌اند. همچنین مطالعات گزارش‌شده در تمامی مقالات فوق، خواص متفاوتی نسبت به رفتار ساختاری-دی‌الکتریک سیستم‌های معرفی شده در این پژوهش گزارش کرده‌اند.

 

2- ساخت نمونه‌ها

2-1- مواد

نیترات سرب با درجه تحلیلی (5/99%)، اکسی کلرید زیرکونیوم (9/99%)، تتراکلرید تیتانیوم (99%)، تری اکسید مولیبدن (9/99%) و کربنات کبالت (9/99%) تهیه شد. مواد فوق بدون هیچ‌گونه تصفیه بیشتر به‌عنوان مواد اولیه مورد استفاده قرار گرفتند.

 

2-2- تهیه پودر

پودرهای PZT با ترکیبات  یا  که در آن ، پس از توزین در محیط اتانول توسط آسیاب سیاره‌ای با گلوله‌های زیرکونیایی با سرعت rpm 180 به مدت 2 ساعت آسیاب شدند. در جدول 1 ترکیب نمونه‌های ساخته شده نشان داده شده است.

 

جدول (1): ترکیب نمونه‌های ساخته شده

 

با روش شیمیایی‌تر با استفاده از محلول نمک به‌عنوان پیش ماده تهیه شدند. برای جبران از دست دادن PbO در طی کلسیناسیون و تف جوشی، 3 درصد وزنی محلول سرب اضافی افزوده شد. محلول نمک ترکیبی با افزودن محلول آمونیاک رقیق به یک هیدروکسید مخلوط در محدوده pH8-5/8 تبدیل شد. رسوب فیلتر شد و به‌طور مکرر شسته شد تا عاری از یون نیترات شود. رسوب یک‌شب در دمای 110 درجه سانتی‌گراد خشک و به مدت 2 ساعت در دمای 850 درجه سانتی‌گراد کلسینه شد. یک برنامه کاری مرسوم برای تهیه پودر PZT از طریق روش شیمیایی‌تر در شکل 1 ارائه ‌شده است.

 

 

 

شکل (1): برنامه کاری نوعی آماده‌سازی PZT از طریق روش شیمیایی‌تر.

 

پس از کلسینه کردن، پودرها جداسازی شدند، دانه‌بندی شدند، به‌صورت تک ‌محوری درون قالب‌ها فشرده شدند و در دمای 1340-1280 درجه سانتی‌گراد به مدت 2 ساعت در یک اتمسفر بسته غنی از سرب برای به حداقل رساندن از دست دادن اکسید سرب، پخته شدند. سرمایش نمونه‌ها پس از خاموش کردن کوره با نرخ طبیعی تا دمای محیط ادامه یافت. دیسک‌های زینتر شده تراز شدند، صیقل داده شدند و با خمیر نقره الکترود دار شدند. سپس نمونه‌ها در یک میدان DC2 کیلوولت بر میلی‌متر در حمام روغن سیلیکون به مدت 30 دقیقه قطب دار شدند و سپس خواص پیزوالکتریک، دی‌الکتریک و فرو الکتریک اندازه‌گیری شد. در شکل زیر نمونه‌های تولید شده با افزودنی‌های مختلف نشان داده شده است.

 

شماره نمونه	ترکیب نمونه
1
2
3
4

شکل (2): نمونه‌های PZT5 به همراه افزودنی‌های کبالت و مولیبدن: الف) بدون افزودنی، ب) با 02/0 مول Co، ج) با 02/0 مول Co و 02/0 مول Mo و د) با 02/0 مول Co و 01/0 درصد مول Mo.

 

3- مشخصه یابی

تشکیل فاز PZT5 با روش پراش اشعه ایکس (XRD) تأیید شد (فیلیپس، هلند). مورفولوژی دیسک‌های پخته‌ شده PZT5 با میکروسکوپ الکترونی روبشی (VEGA3TESCAN) مشخص شد. ضریب کرنش پیزوالکتریک خطی (d33) و خواص دی‌الکتریک در دمای اتاق با استفاده از یک پیزومتر (مدل PM-35 شرکت تیک کنترل) اندازه‌گیری شد. فرکانس رزونانس، ضریب ارتباط الکترومکانیکی، ظرفیت خازنی و کیفیت مکانیکی نیز موردمطالعه قرار گرفت. ظرفیت با استفاده از پل LCR (Model 4262A, Hewlett Packard) در فرکانس 1 کیلوهرتز اندازه‌گیری شد. ضریب کیفیت مکانیکی () و ضریب کوپلینگ () با روابط استاندارد با استفاده از مقادیر اندازه‌گیری شده ظرفیت، فرکانس رزونانس () و آنتی رزونانس () محاسبه شد [21].

 

4- نتایج و بحث

4-1- مطالعه پراش اشعه ایکس

الگوهای XRD نمونه‌های PZT5 بدون افزودنی و با افزودن Mo و Co در شکل 3 نشان داده شده است. الگوهای XRD بسیار تیز و با قله‌های پراش منفرد مشخص هستند که نشان‌دهنده همگنی و تبلور نمونه‌ها است. الگوها به‌وضوح نشان می‌دهند که هیچ تغییر ساختاری در PZT5 در جایگزینی مقادیر کم کبالت و مولیبدن وجود ندارد. به‌وضوح می‌توان دید که ساختار دارای فاز پروسکایت بدون هیچ فاز ثانویه است که نشان‌دهنده انتشار کامل افزودنی‌ها به شبکه PZT5 برای تشکیل یک ترکیب تک فاز است. شماره کارت مرجع شناسایی شده 01-070-0742 می‌باشد. مطابق کارت‌های مرجع استاندارد فاز چهارضلعی با غلظت بالا در PZT5 بدون افزودنی و فاز لوزی خالص در غلظت افزودنی بالاتر (04/0 مول) یافت شد. مخلوطی از فاز چهارضلعی و رومبوهدرال در ترکیبات میانی یافت شد که فاز چهارضلعی با افزایش غلظت افزودنی کاهش می‌یابد؛ و به تغییر پارامترهای شبکه نسبت داده می‌شوند، یعنی پارامتر شبکه "c" کاهش می‌یابد درحالی‌که "a" با افزایش غلظت افزودنی افزایش می‌یابد؛ بنابراین، چهارضلعی بودن (c/a) سرامیک‌های PZT5 اصلاح‌شده کاهش می‌یابد.

 

(الف)

(ب)

(ج)

(د)

شکل (3): الگوی XRD نمونه‌های PZT5: الف) بدون افزودنی، ب) با 02/0 مول Co، ج) با 02/0 مول Co و 02/0 مول Mo و د) با 02/0 مول Co و 01/0 درصد مول Mo.

 

4-2- تحلیل ریزساختاری

تصاویر SEM دیسک‌های پخته‌ شده حکاکی شده شیمیایی در شکل 4 ارائه ‌شده‌اند. همان‌طوری که مشاهده می‌شود ذرات با اندازه‌های مختلف به‌طور یکنواخت و متراکم در کل سطح نمونه‌ها توزیع شده‌اند. اکثر ذرات نمونه‌ها دارای ماهیت کروی بودند. شکل، اندازه و توزیع ذرات ریزساختار همه نمونه‌ها ماهیت پلی کریستالی نمونه‌ها را تأیید کرد. همان‌طور که از میکرو گراف‌های SEM مشهود است کاهش در اندازه ذرات با ترکیب با افزودنی‌ها، کاملاً مشخص است. بزرگ‌نمایی نمونه‌ها 8000 برابر و مقیاس 10 میکرون در زیر نمونه‌ها گذاشته شده است. اندازه‌های متوسط ذرات بدون افزودنی (2/1 میکرومتر)، با 02/0 مول Co (1/3 میکرومتر)، با 02/0 مول Co و 02/0 مول Mo (1/2 میکرومتر) و با 02/0 مول Co و 01/0 مول Mo (6/2 میکرومتر) با توجه به مقیاس تصاویر و متوسط گیری بیشترین طول بیست ذره اندازه‌گیری شد. اندازه ذرات با افزایش غلظت مولیبدن در حضور کبالت کاهش می‌یابد.

 

(الف)

(ب)

(ج)

(د)

شکل (4): تصاویر SEM حکاکی شده شیمیایی: الف) بدون افزودنی، ب) با 02/0 مولCo، ج) با 02/0 مول Co و 02/0 مول Mo و د) با 02/0 مول Co و 01/0 درصد مول Mo.

 

4-3- خواص پیزوالکتریک 

خواص پیزوالکتریک نمونه‌ها در شکل 5 ارائه ‌شده است. d33 نمونه‌های دارای افزودنی کبالت و مولیبدن کمتر از d33 نمونه‌های PZT5 بدون افزودنی است. به‌طورکلی، یون‌های Mo و Co جایگزین یون‌های مکان «B» می‌شوند. همچنین مشاهده شد که d33 با افزایش غلظت Mo تا 02/0 مول در حضور Co ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد. غلظت ناخالصی بالاتر منجر به رسوب ماده افزودنی در مرزهای دانه می‌شود، همان‌طور که در مورد PZTهای دارای افزودنی سریم اکسید مشاهده شد [22]. با توجه به این، اندازه دانه و همچنین اندازه حوزه کاهش می‌یابد (همچنین توسط هافمن و همکاران مشاهده شد [23])؛ بنابراین، جهت‌گیری دیوار حوزه را مختل می‌کند و متعاقباً d33 کاهش می‌یابد.

 

 

شکل (5): تغییرات در d33 با افزایش غلظت Mo و Co.

 

4-4- فرکانس رزونانس و ضریب ارتباط الکترومکانیکی

همان‌طور که در شکل 6 مشاهده می‌شود. فرکانس رزونانس در نمونه PZT5 بدون افزودنی کمترین مقدار را دارد و با افزایش Co و Mo زیاد می‌شود و در نمونه دارای دو افزودنی با غلظت 02/0 بالاترین مقدار را دارد. با افزایش افزودنی‌ها ضریب ارتباط الکترومکانیکی رفتاری همانند d33 دارد؛ یعنی با افزایش افزودنی مولیبدن در ابتدا افزایش می‌یابد و سپس با افزایش تا 02/0 درصد مول مولیبدن کاهش می‌یابد؛ زیرا d33 طبق رابطه زیر با ضریب ارتباط الکترومکانیکی ارتباط دارد:

 

 

که در آن d33 ثابت شارژ پیزوالکتریک، K33 ضریب ارتباط الکترومکانیکی و SE33 ضریب سختی می‌باشند.

 

 

شکل (6): تغییرات در Fr با افزایش غلظت Mo و Co.

 

4-5- ظرفیت خازنی و کیفیت مکانیکی

در جدول 2 ظرفیت خازنی و کیفیت مکانیکی نمونه‌های ساخته شده نشان داده شده است.

 

جدول (2): ظرفیت خازنی و کیفیت مکانیکی نمونه‌های PZT5 ساخته شده.

(1)

نمونه‌ها	C(nF)	Qm
5 PZT	10±90	20±120
PZTC	5±35	50±250
PZTMC با 1 درصد مولیبدن	10±50	20±220
PZTMC	5±20	20±150
* جز در مورد اشاره شده در بقیه موارد افزودنی 02/0 می‌باشد.

 

طبق جدول 2 نمونه PZT5 بدون افزودنی بالاترین مقدار ظرفیت خازنی را دارد و نمونه PZT5 با افزودنی 02/0 درصد کبالت بالاترین مقدار کیفیت مکانیکی را دارا می‌باشد.

 

5- نتیجه‌گیری‌ها

نمونه‌های PZT5 به همراه افزودنی‌های کبالت به‌صورت منفرد و کبالت و مولیبدن توأمان با روش شیمیایی‌تر تهیه شد. بر اساس مطالعه خواص پیزوالکتریک، دی‌الکتریک و فروالکتریک، نتیجه گرفته شد که کیفیت مکانیکی Qm در نمونه‌های دارای ناخالصی افزایش شدیدی (تا 110 ℅) را نشان می‌دهد. ثابت شارژ پیزوالکتریک (تا 84 ℅ کاهش)، ظرفیت خازنی (تا 78 ℅ کاهش) و ضریب ارتباط الکترومکانیکی (تا 78 ℅ کاهش) نسبت به نمونه خالص کاهش زیادی دارند. فرکانس رزونانس در نمونه‌های دارای هر دو افزودنی و نمونه دارای کبالت منفرد (تا 25 ℅) بیشتر شده است. در نمونه‌های دارای هر دو افزودنی با افزایش مولیبدن تا 02/0 درصد مول بهتر می‌شود. درنتیجه برای استفاده در سنسورهای دینامیکی افزودن 02/0 مول کبالت و 02/0 مول مولیبدن باعث بهتر شدن زمان پاسخ می‌شود.

 

 

 

 

6- فهرست علائم

 

7- 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- پی­نوشت

 

[1] Morphotropic Phase Boundary (MPB)

[2] X-Ray Diffraction (XRD)

[3] Scanning Electron Microscope (SEM)

[4] Wet Chemistry

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Mohammad Hadi Hemati, Hosein Lexian, Mohammad Hosein Ghezel Ayagh, Analysis of the Effect of Molybdenum and Cobalt Additives on the Structural and Electrical Properties of PZT5 Piezoceramic Material, New Process in Material Engineering, 2024, 17(4), 43-50.

 

 

 

---