The influence of sintering time on microstructure and dielectric properties of K0.5Bi0.5TiO3 ceramics

• Autorzy: Czaja Piotr , Bochenek Dariusz , Karolus Małgorzata , Adamczyk-Habrajska Małgorzata , Kluczewska-Chmielarz Kamila , Osińska Katarzyna , Rakus Piotr

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2025.03.31

Warianty tytułu

PL

Wpływ czasu spiekania na mikrostrukturę i właściwości dielektryczne ceramiki K0.5Bi0.5TiO3

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Potassium-bismuth titanate K0.5Bi0.5TiO3 ceramics were prepared by the conventional method using different sintering times. The obtained lead-free ceramics of K0.5Bi0.5TiO3 show high density determined by the Archimedes method at about of 84-98% of the theoretical value. The microstructure investigations were performed using a scanning electron microscope (SEM). When sintering time equal to 4 and 5 hours was applied, the grains of K0.5Bi0.5TiO3 are similar. However, for the sintering time of 8 hours, an increase of the grain size and their inhomogeneity was observed. The X-ray diffraction studies showed that the obtained samples have pure perovskite structure with tetragonal symmetry. The dielectric measurements showed differences in relative permittivity (ε) depending on the sintering time. The conclusions about influence of the sintering time on the properties of K0.5Bi0.5TiO3 may be the starting point for the targeted technology and specific application.

PL

Tytanian potasu i bizmutu K0,5Bi0,5TiO3 wytworzono metodą konwencjonalną z zastosowaniem różnych czasów spiekania. Otrzymana ceramika bezołowiowa K0,5Bi0,5TiO3 wykazuje wysoką gęstość wyznaczoną metodą Archimedesa na poziomie około 84-98% wartości teoretycznej. Badania mikrostruktury przeprowadzono przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Gdy zastosowano czas spiekania równy 4 i 5 godzin, ziarna K0,5Bi0,5TiO3 są podobne. Jednak przy czasie spiekania wynoszącym 8 godzin zaobserwowano wzrost uziarnienia i jego niejednorodność. Badania dyfrakcji rentgenowskiej wykazały, że otrzymane próbki mają czystą strukturę perowskitu o symetrii tetragonalnej. Pomiary dielektryczne wykazały różnice w przenikalności względnej (ε) w zależności od czasu spiekania. Wnioski dotyczące wpływu czasu spiekania na właściwości K0,5Bi0,5TiO3 mogą być punktem wyjścia dla docelowej technologii i konkretnego zastosowania.

Słowa kluczowe

EN

K0.5Bi0.5TiO3; perovskite structure; ferroelectric; lead free material preparation

PL

K0.5Bi0.5TiO3; struktura perowskitu; ferroelektryk; przygotowanie materiału bezołowioweg

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2025
• Tom: R. 101, nr 3
• Strony: 128--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Czaja Piotr

• Instytut Techniczny, Uniwersytet Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie, ul. Podchorążych 2, Kraków, 30-084

autor

Bochenek Dariusz

• Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, University of Silesia, 75 Pułku Piechoty 1a, Katowice, 41-500, Poland

autor

Karolus Małgorzata

• Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, University of Silesia, 75 Pułku Piechoty 1a, Katowice, 41-500, Poland

autor

Adamczyk-Habrajska Małgorzata

• Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, University of Silesia, 75 Pułku Piechoty 1a, Katowice, 41-500, Poland

autor

Kluczewska-Chmielarz Kamila

• Instytut Techniczny, Uniwersytet Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie, ul. Podchorążych 2, Kraków, 30-084

autor

Osińska Katarzyna

• Faculty of Science and Technology, Institute of Materials Engineering, University of Silesia, 75 Pułku Piechoty 1a, Katowice, 41-500, Poland

autor

Rakus Piotr

• Poland Chair of Automatic, Electrotechnical and Optoelectronics, Faculty of Electrical Engineering, Czestochowa University of Technology, Armii Krajowej 17, Czestochowa, 42-201, Poland

Bibliografia

• [1] Aksel E, Jones Jacob L., 2010. Advances in lead-free piezoelectric materials for sensors and actuators, Sensors, 10, 1935-1954; DOI:10.3390/s100301935.
• [2] Barick BK, Misra KK, Arora AK et al., 2011. Impedance and Raman spectroscopic studies of Na0.5Bi0.5TiO3, J. Phys. D., 44, 355402.
• [3] Buhrer CF, 1962. Some properties of bismuth perovskites, J. Chem. Phys., 36, 798-803.
• [4] Czaja P, Suchanicz J, Bochenek D, Dercz G, Piasecki M, Hudy W, 2018. High density lead free K0.5Bi0.5TiO3 ceramics preparation mechanical and dielectric properties, Phase Transitions, 91(9-10), 1051-1059.
• [5] Czaja P, Suchanicz J, Kluczewska K, Piasecki M, Hudy W, 2018. The influence of technological conditions on dielectric and optical properties of K0.5Bi0.5TiO3 ceramics, Ferroelectrics, 538, 91-95.
• [6] DIRECTIVE 2011/65/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 8 June 2011 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment.
• [7] Guo J, Zhu M, Li L, et al., 2017. Relaxor to ferroelectric crossover in KBT ceramics by prolonged annealing, J. Alloys Compd., 703, 448-453.
• [8] http://ec.europa.eu/environment/waste /weee /index_en.htm.
• [9] Hiruma Y, Aoyagi R, Nagata H, et al., 2005, Ferroelectric and piezoelectric properties of K0.5Bi0.5TiO3 ceramics, Jpn. J. Appl. Phys., 44(7A), 5040-5044.
• [10] Ivanov VV, Kapyshev AG, Venevcev YN, et al., 1962, Rentgenovskoye opredeleniye elementarnyh jacejek K0.5Bi0.5TiO3 i Na0.5Bi0.5TiO3 i wysokotemperaturnyh fazowyh perechodov v K0.5Bi0.5TiO3, Izv. Akad. Nauk SSSR, 26, 354-356 (in Russian).
• [11] Jones GO, Thomas PA, 2002, Investigation of the structure and phase transitions in the novel A-site substituted distorted perovskite compound Na0.5Bi0.5TiO3, Acta Crystallographica B, 58, 168-178.
• [12] Köenig J, Suvorov D, 2015, Evolution of the electrical properties of K0.5Bi0.5TiO3 as a result of prolonged sintering, J. Europ. Ceram. Soc., 35(10), 2791-2799.
• [13] Li ZF,. Wang CL, Zhong WL, et al, 2003, Dielectric relaxor properties of K0.5Bi0.5TiO3 ferroelectrics prepared by sol-gel method, J. Appl. Phys., 94, 2548-2552.
• [14] Park SE, Chung SJ, 1996, Ferroic phase transitions in Na0.5Bi0.5TiO3 crystals, J. Am. Ceram. Soc., 79, 1290-1296.
• [15] Qu J, Huang S, Xu Y, et al., 2014, Fabrication and properties of PZT piezoelectric ceramics tubes with large length-diameter ratio, Ceramics International, 40(8), 13019-13024.
• [16] Rödel J, Jo W, Seifert Klaus TP, Anton M, Granzow T, 2009, Perspective on the development of lead-free piezoceramics, J. Am. Ceram. Soc., 92(6), 1153-1177, doi: 10.1111/j.1551- 2916.2009.03061.x.
• [17] Rao Vijaya Bhaskar P, Sankaram Bhima T, 2010, Impedancy spectroscopy studies of K0.5Bi0.5TiO3, J. Electroceram, 25, 60-69, DOI 10.1007/s10832-009-9589-4.
• [18] Shrout TR, Zhang SJ, 2007, Lead-free piezoelectric ceramics; Alternatives for PZT ? Journal of Electroceramics, 19(1), 113- 126.
• [19] Seifert K, 2010, Lead-free piezoelectric ceramics [PhD thesis], Darmstadt.
• [20] Suchanicz J, Sitko D, Kim-Ngan NTH, Balogh AG, 2008, Electric properties of soft PZT ceramics under combined electric and mechanic fields, J. Appl. Phys, 104, 094106-0941110.
• [21] Sawaguchi E, 1953, Ferroelectricity versus antiferroelectricity in the solid solutions of PbZrO3 and PbTiO3, J. Phys. Soc. Jpn., 8, 615-629.
• [22] Suchanicz J, Mercurio JP, Konieczny K, 2002, Electric properties of (Na0.5Bi0.5)0.86Ba0.14TiO3 single crystal, Ferroelectrics, 268, 357-362.
• [23] Suchanicz J, Kluczewska K, Czaja P, Kania A, Konieczny K, Handke B, Sokołowski M, Trubitsyn MP, Kruzina TV, 2017, The influence of electric poling on structural, thermal, Dielectric and ferroelectric properties of Na0.5Bi0.5TiO3 ceramics, Ceramic International, 43, 17194-17201.
• [24] Suchanicz J, Kania A, Czaja P, et al., 2018, Structural, thermal, dielectric and ferroelectric properties of K0.5Bi0.5TiO3 ceramics, J. Europ. Cer. Soc, 38, 567-574.
• [25] Smolenskii GA, Isupov VA, Agranovskaya AI, et al., 1961, New ferroelectrics of complex compositions, Sov. Phys. Sol. Stat., 2, 2651-2654.
• [26] Vakhrushev SB, Isupov VA, Kvyatkovsky BE, et al., 1985, Phase transitions and soft modes in sodium bismuth titanate, Ferroelectrics, 63, 153-160.
• [27] 27 Yamamoto T, 1996, Ferroelectric properties of the PbZrO3 and PbTiO3. Jpn. J. Appl. Phys., 35(1), 5104.
• [28] Yang J, Hou Y, Wang Ch, et al., 2007, Relaxor behavior of K0.5Bi0.5TiO3 ceramics derived from molten salt synthesized single crystalline nanowires, Appl. Phys. Lett., 91, 023118.
• [29] Zhang S, Xia R, Shrout T, 2007, Lead-free piezoelectrics ceramics v PZT ?, Journal of Electroceramics, 19(4), 251-257.
• [30] Zannen M, Lahmar A,. Dietze M, et al., 012, Structural, optical and electrical properties of Nd-doped N0.5Bi0.5TiO3, Mater. Chem.Phys., 134, 829.
• [31] Zannen M, Lahmar A, Khemakhem H, et al., 2016, Energy storage property in lead free Gd doped Na0.5Bi0.5TiO3 ceramics, Solid State Communications, 245, 1-4.