توصيفگر ها :
ليتيم كربنات , سراميك , پيزوالكتريك , فروالكتريك , ساماريوم , Li₂CO₃
چكيده فارسي :
مواد پيزوالكتريك به دليل قابليت تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي و بالعكس، از اهميت ويژهاي در زمينههاي مختلف علمي، صنعتي و تجهيزات پزشكي برخوردارند. با وجود پيشرفتهاي چشمگير در افزايش ضريب پيزوالكتريك، يكي از چالشهاي اصلي، مصرف بالاي انرژي در روشهاي سنتي تفجوشي است. دماي بالاي لازم در اين روشها موجب مصرف زياد انرژي، انتشار سرب و آسيبهاي زيستمحيطي ميشود. استفاده از روشهاي كمك پخت ميتواند دماي تفجوشي را كاهش داده، مصرف انرژي و هزينهها را كم كرده و كيفيت محصول را حفظ كند. در مواد فروالكتريك، متأسفانه، پاسخ پيزوالكتريك بالا و پايداري دمايي خوب هميشه عكس يكديگرند و از پايداري حرارتي پايين رنج مي برند. در حال حاضر، هنوز در طراحي مواد فروالكتريك با كارايي بالا و پايداري دمايي خوب، محدوده كابردي دمايي بالاو همچنين در دماي تفجوشي پايين، بسيار مشكل وجود دارد. در اين پروژه، هدف ساخت سراميكي با ضريب پيزوالكتريك و پايداري دمايي بالا وهمچنين در دماي تفجوشي پايين است. در اين پژوهش، سراميكهاي Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3 (به طور مخففPMN-PZT )، به دليل دارا بودن ضريب پيزوالكتريك بالا، به روش واكنش حالت جامد ساخته شدند. براي بهينهسازي خواص پيزوالكتريك مانند ميدان شكست ديالكتريك، قطبش باقيمانده، دماي كوري، ضريب پيزوالكتريك و دماي تفجوشي پايين، از ساماريوم به عنوان آلايشگر براي افزايش ضريب پيزوالكتريك و همچنين از ليتيمكربنات به عنوان كمكپخت براي كاهش دماي تف جوشي ماده استفاده شد. خواص ساختاري نمونهها با پراش اشعهايكس و آناليزميكروسكوپ الكتروني روبشي، خواص فروالكتريك (حلقهE-P) و خواص ديالكتريك )ثابت گذردهي ديالكتريك بر حسب دما) بررسي شد. به طور كلي، ديده شد كه بهترين شرايط در نمونه حاوي 2.5%Sm و 2% ليتيمكربنات در دماي تفجوشي oC960 بهدست آمد. در اين حالت، خواص الكتريكي و پيزوالكتريكي بهينه به شرح زير حاصل شد: ضريب پيزوالكتريك برابر با pC/N760، دمايكوري oC 205، ثابت ديالكتريك 25153، قطبش باقيمانده µC/cm²75/51 و قطبش اشباع µC/cm²90/63. دماي تفجوشي به ميزان قابل توجهي كاهش يافت كه اين امر علاوه بر كاهش مصرف انرژي، منجر به توليد سراميكهايي با چگالي بالا و ريزساختار يكنواخت شد. هدف اين پاياننامه، ارائه راهكارهايي براي بهبود عملكرد و بهرهوري مادهي PMN-PZT در كاربردهاي عملي است.
چكيده انگليسي :
Piezoelectric materials, due to their ability to convert mechanical energy into electrical energy and vice versa hold special significance in various scientific, industrial, and medical applications. Despite remarkable progress in enhancing the piezoelectric coefficient, one of the main challenges remains the high energy consumption associated with traditional sintering methods. The high temperatures required in these methods lead to excessive energy use, lead emission, and environmental damage. The use of sintering aids can reduce sintering temperature, decrease energy consumption and costs, and preserve product quality. The precision, reliability, and range of applications of piezoelectric actuators are closely related to the piezoelectric strain properties of materials, such as strain hysteresis, loss resistance, and thermal stability of strain behavior. Among these, thermal stability is the most important factor in preventing the degradation or loss of piezoelectric properties of actuators in high-temperature environments. At present, designing ferroelectric materials with both high performance and excellent thermal stability, a wide operational temperature range, and a low sintering temperature remains a major challenge. In this project, the goal is to fabricate ceramics with a high piezoelectric coefficient and good thermal stability at a low sintering temperature. In this study, Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbZrO₃–PbTiO₃ (PMN–PZT) ceramics, known for their high piezoelectric coefficient, were synthesized using the solid-state reaction method. To optimize piezoelectric properties such as dielectric breakdown field, remanent polarization, Curie temperature, piezoelectric coefficient, and low sintering temperature, samarium (Sm) was used as a dopant to enhance the piezoelectric coefficient, and lithium carbonate (Li₂CO₃) was used as a sintering aid to reduce the sintering temperature. The structural properties of the samples were characterized using XRD and SEM, while the ferroelectric loop (E–P) and dielectric (dielectric constant as a function of temperature) properties were also investigated. Overall, the optimal conditions were obtained for the LC–2.5%Sm:PMN–PZT sample containing 2% Lithium carbonate, sintered at 960 °C. Under these conditions, the optimized electrical and piezoelectric properties were as follows:
• Piezoelectric coefficient: 760 pC/N
•Curie temperature: 205 °C
•Dielectric constant: 25,153
•Remanent polarization: 51.75 µC/cm²
•Saturation polarization: 63.90 µC/cm²
The aim of this thesis is to propose effective strategies for improving the performance and efficiency of PMN–PZT materials in practical applications.