چرا دستيابي به دانسيتۀ بالا در سراميك پيزوالكتريك KNN دشوار است؟

سراميك پيزوالكتريك نايوبات پتاسيم سديم (K,Na)NbO3 با نام اختصاري KNN يكي از مهمترين خانواده از تركيبات پيزوالكتريك بدون سرب براي جايگزيني پيزوالكتريك‌هاي پايه‌سربي نظير خانوادۀ تركيبات Pb(Zr,Ti)O3 است. پژوهشگراني كه در مورد KNN تحقيق مي‌كنند، به ندرت دانسيتۀ سراميك زينترشده از اين تركيب را بالاي 94 % دانسيتۀ تئوري گزارش كرده‌اند. هدف از اين پژوهش بازكردن دريچه‌اي به سوي يافتن علت اين موضوع است. مخلوط مواد اوليۀ KNN در دماهاي مختلف در بازۀ دمايي °C1000-400 كلسينه شد. با استفاده از واكنش‌هاي محتملي كه در اين سيستم امكان وقوع دارد، پيشنهاد شد در حين فرآيند سنتز حالت جامد KNN، لايه‌اي از تركيبات كربناتي K2CO3 و Na2CO3 روي سطح پودر KNN تشكيل مي‌شود. حداقل دماي ذوب هم ارز در سيستم دوتايي K2CO3‒Na2CO3 برابر °C710 است و دماي ذوب مابقي تركيبات، تا °C858 براي Na2CO3 خالص و تا °C901 براي K2CO3 خالص است. همچنين، احتمال تشكيل تركيباتي نظير KOH و NaOH نيز در اين سيستم در اثر واكنش پودر KNN با رطوبت هوا يا عامل H2O وجود دارد. حداكثر دماي ذوب اين تركيبات نيز °C406 است. بنابراين، به نظر مي‌رسد حضور اين لايه‌هاي كربناتي/هيدروكسيدي بسيار نازك بر روي سطح پودر KNN و ذوب‌ سطحي آنها در دماهايي زير °C1000، سبب درشت‌شدن اندازۀ ذرات پودر KNN درست قبل از شروع فرآيند زينتر مي‌شود. به بيان ديگر هر چه پودر KNN ريزدانه‌تر باشد، به دليل سطح ويژۀ بالاتر، لايه‌هاي سطحي كربناتي بيشتري روي سطح آن تشكيل مي‌شود و عملاً به هم چسبيدن ذرات پودر KNN قبل از زينتر تشديد مي‌شود. بنابراين، صرف‌نظر از اندازۀ اوليۀ ذرات KNN، در حين انجام فرآيند زينتر همواره با پودري درشت‌دانه مواجه هستيم. بنابراين، در كل نمي‌توان زينترپذيري خوبي از پودرهاي KNN خالص انتظار داشت و اين امر تحت شرايط متعارف زينتر، اجتناب‌ناپذير است.