Příprava keramických materiálů pro piezoelektrické aplikace

Abstract

Diplomová práca sa zaoberá prípravou a spracovaním bezolovnatej piezokeramiky s perovskitovou štruktúrou. Pomocou syntézy v pevnej fáze (SSR) a syntézou v kvapalnej fáze (sol-gel) bol pripravený prášok draselno-sodného niobátu (KNN). Prášky boli tvarované pomocou jednoosého a izostatického lisovania a ďalej sintrované. Na sintrovaných vzorkách bola stanovená hustota, veľkosť zŕn a morfológia štruktúry. Za štandard bol zvolený prášok, pripravený reakciou v pevnej fáze sintrovaný v klasickej peci, na ktorom sa podarilo vďaka optimalizácii sintrovacieho cyklu dosiahnuť maximálnej hustoty 93 %TH. Optimalizácia sintrovania zahrňovala homogenizačný krok pri 950°C, ktorý podporil správny vývoj fázového zloženia a mikroštruktúry, nasledovalo sintrovanie pri 1120°C. Tento prístup bol ďalej využitý pre sintrovanie KNN prášku pripraveného sol-gel metódou. Maximálna dosiahnutá hustota sol-gel KNN prášku pri konvenčnom sintrovaní bola 92 %TH. Pre ďalšie porovnanie boli vzorky KNN SSR a sol-gel sintrované pomocou SPS (plazmové sintrovanie), ktoré zvýšilo ich výslednú hustotu na 97 %TH. Na vybraných vzorkách SSR s čistým fázovým zložením ((K0,5Na0,5)NbO3) bola odmeraná orientačná hodnota piezolektrického koeficientu d33 (pC/N), najvyššia sa pohybovala okolo 100 pC/N.

The content of this thesis is about preparation and processing of lead-free piezoceramic materials with perovskite structure. Potassium sodium niobate (KNN) powder was prepared by solid state reaction (SSR) and liquid phase reaction (sol-gel reaction). The powders were formed by uniaxial and isostatic pressing and further sintered. The density, grain size and morphology were determined on the sintered samples. The powder, synthesised by SSR and sintered in a conventional furnace, was chosen as a standard. The maximum density achieved on samples after optimization of sintering cycle was 93 %TD. The sintering optimization involved a homogenization step at 950 °C, which promotes the correct development of the phase composition and microstructure, followed by sintering at 1120 °C. The same approach and sintering cycle were used for sintering the samples, prepared by sol-gel synthesis. The maximum density of the samples prepared by sol-gel reaction and sintered in a conventional way, was 92 %TD. For further comparison, both of the synthesised powders were sintered using SPS (spark plasma sintering), which increased their final density up to 97 %TD. The approximate value of the piezoelectric coefficient d33 (pC/N) has been measured on selected SSR samples with pure phase composition ((K0,5Na0,5)NbO3). The best measured value of d33 was around 100 pC/N.