Technologia i podstawowe właściwości wieloskładnikowej ceramiki na bazie Pb(Zr0,75Ti0,25)O3 syntezowanej metodą zol-żel

• Autorzy: Bochenek D. , Niemiec P. , Osiński M.

Warianty tytułu

EN

Technology and basic properties of multicomponent ceramics based on sol-gel method synthesized Pb(Zr0.75Ti0.25)O3

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy było otrzymanie wieloskładnikowej ceramiki typu PZT domieszkowanej chromem, tantalem i manganem, wykorzystując mokrą metodę chemiczną zol-żelową. Proces technologiczny otrzymywania ceramiki składał się z kilku etapów. W pierwszym etapie ceramiczny proszek o składzie Pb(Zr0,75Ti0,25)O3 otrzymano w wyniku syntezy zol–żelowej, a następnie w drugim etapie do bazowego składu wprowadzono domieszki w postaci tlenków chromu (w ilości 0,15% wag.), tantalu (w ilości 0,03% wag.) oraz manganu (w ilościach 0,5% wag. lub 1,0% wag.). Syntezowanie poszczególnych składników przeprowadzono metodą reakcji w fazie stałej, natomiast spiekanie zsyntezowanego materiału przeprowadzono dwiema metodami zagęszczania: spiekaniem swobodnym (FS) i metodą jednoosiowego prasowania na gorąco (HUP). Przeprowadzono badania mikrostrukturalne, rentgenowskie, homogeniczności składu (EDS) oraz podstawowych właściwości ferroelektrycznych i dielektrycznych. Badania wykazały, że wielopierwiastkowe modyfikowanie podstawowego składu Pb(Zr0,75Ti0,25)O3 domieszkami tlenków chromu, tantalu i manganu poprawia parametry użytkowe otrzymanych materiałów. Natomiast zastosowanie w procesie technologicznym metody jednoosiowego prasowania na gorąco (HUP) pozwala uzyskać próbki o jednorodnej drobnoziarnistej mikrostrukturze z większymi wartościami maksymalnej przenikalności elektrycznej. Wieloskładnikowe materiały typu PZT o tego typu właściwościach mogą znaleźć zastosowania w mikroelektronice i mikromechatronice do budowy wysokoczęstotliwościowych przetworników piezoelektrycznych.

EN

The aim of this work was to obtain multicomponent PZT-type ceramics doped with chromium, tantalum and manganese oxides. A technological process of obtaining the ceramics consisted of several stages. In the first step, the Pb(Zr0.75Ti0.25)O3 ceramic powder was synthesized by a sol-gel method, and in the second one, an admixture of chromium (0.15 wt.%), tantalum (0.03 wt.%) and manganese (0.5 wt.% or 1.0 wt.%) oxides was introduced to the base composition. The synthesis of individual components was performed by a solid phase reaction, and the sintering process was carried out by two methods: free sintering (FS) and hot uniaxial pressing (HUP). Microstructural studies, X-ray diffraction phase analysis, studies of the material homogeneity (EDS), and the basic ferroelectric and dielectric properties were carried out. The studies have shown that the multi-elemental modification of the basic composition of Pb(Zr0.75Ti0.25)O3 by the admixtures of chromium, tantalum and manganese oxides improve the performance of the obtained ceramics. The application of the hot uniaxial pressing method (HUP) in the technological process allows obtaining a sample with the homogeneous fine-grained microstructure and higher values of the maximum dielectric permittivity. The multicomponent PZT-based materials with that type of properties can be used in microelectronics and micromechatronics to build high-frequency piezoelectric transducers.

Słowa kluczowe

PL

ceramika PZT; metoda zol-żel; domieszkowanie; właściwości dielektryczne

EN

multicomponent PZT-type ceramics; sol-gel method; doping; dielectric properties

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 2
• Strony: 90--96
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Bochenek D.

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach, Instytut Technologii i Mechatroniki, ul. Żytnia 12, 41-200 Sosnowiec

autor

Niemiec P.

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach, Instytut Technologii i Mechatroniki, ul. Żytnia 12, 41-200 Sosnowiec

autor

Osiński M.

• Uniwersytet Śląski w Katowicach, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach, Instytut Technologii i Mechatroniki, ul. Żytnia 12, 41-200 Sosnowiec

Bibliografia

• [1] Moulson, A. J., Herbert, J. M.: Electroceramics: Materials, Properties, Applications, 2nd ed., Wiley, Chichester, West Sussex, 2003.
• [2] Uchino, K., Giniewicz, J. R.: Micromechatronics, New York, Marcel Dekker, 2003.
• [3] Panda, P. K., Sahoo, B.: PZT to Lead Free Piezo Ceramics: A Review, Ferroelectrics 474, (2015) 128–143.
• [4] Surowiak, Z., Bochenek, D.: Modyfikowanie składu chemicznego elektroceramiki PZT, Materiały Ceramiczne/ Ceramic Materials/, 4, (2004), 124
• [5] Boucher, E., Guiffard, B., Lebrun, L., Guyomar, D.: Effects of Zr/Ti ratio on structural, dielectric and piezoelectric properties of Mn- and (Mn, F)-doped lead zirconate titanate ceramics, Ceram. Int., 32, (2006), 479.
• [6] Chu S.-Y., Chen T.-Y., Tsai I-T., Water 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, 113, (2004), 198–203.
• [7] Tzou H. S., Lee H.-J., Arnold ,S. M.: Smart materials, precision sensors/Actuators, Smart Structures, and Structronic Systems, Mech. Adv. Mater. Str., 11, (2014), 367-393.
• [8] Xu Y.: Ferroelectric Materials and Their Applications, North-Holland, Amsterdam 1991.
• [9] Panda, P. K., Sahoo, B., Raja, S., Vijaya Kumar, M. P., Shankar, V.: Electromechanical and dynamic characterization of in-house-fabricated amplified piezo actuator, Smart Mater. Res., 2012, (2012), 203625.
• [10] Kulawik, J., Szwagierczak, D., Grӧger, B.: Investigations of properties of ceramic materials with perovskite structure in chosen electronic applications, Bull. Pol. Ac.: Tech., 55, (2007), 293–297.
• [11] Schmid, H.: Some symmetry aspects of ferroics and single phase multiferroics, J. Phys.: Condens. Matter, 20, (2008), 434201.
• [12] Surowiak, Z., Bochenek, D.: Multiferroic materials for sensors, transducers and memory devices, Arch. Acoust., 33, (2008), 243.
• [13] Long W., Ching–Chuang W., Tien–Shon W., Hsi–Chuan L., Improved ceramics for piezoelectric devices, J. Phys. C.: Solid State Phys., 16, 14, (1983), 2813–2821.
• [14] Zhang R. F., Ma J., Kong L. B., Chen Y. Z., Zhang T. S.: PZT ceramics derived from hybrid method of sol-gel and solid-state reaction, Mater. Lett., 55, (2002), 388.
• [15] Xu Z. J., Chu R. Q., Li G. R., Shao Xin, Yin Q. R.: Preparation of PZT powders and ceramics via a hybrid method of sol–gel and ultrasonic atomization, Mater. Sci. Eng. B, 117, (2005), 113.
• [16] Surowiak, Z., Bochenek, D., Machura, D., Nogas-Ćwikiel, E., Płońska, M., Wodecka-Duś, B.: Technologia, właściwości i możliwości aplikacyjne elektroceramiki ferroelektrycznej. Cz. I Synteza ceramicznych proszków ferroelektrycznych, Materiały Ceramiczne/ Ceramic Materials/, 4 (2006) 120-130.
• [17] Zhang, Q., Shaw, C. P., Huang Z., Whatmore, R. W.: Sol-Gel Derived Lead Zirconate Titanate Thick Films and their improved pyroelectric properties, Integrated Ferroelectrics, 64, (2004), 207-216.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).