بررسي پارامترهاي موثر بر زينتر دو مرحله‌اي پيزوسراميك عاري از سرب نايوبات پتاسيم-سديم

Investigation of Effective Parameters on Two-Step Sintering of Potassium Sodium Niobate (K, Na)NbO3 Lead Free Piezoelectric Ceramics

سراميك هاي پيزوالكتريك سربي كه شامل درصد بالايي سرب مي باشند، به دليل سمي بودن سرب و ايجاد مشكلات مختلف محيط زيستي، تلاش هاي گوناگوني براي جايگزيني اين سراميك ها صورت گرفته است. در اين مقاله ابتدا پودر پيزوسراميك عاري از سرب نايوبات پتاسيم- سديم (KNN) به عنوان تركيب كانديد براي جايگزيني پيزوسراميك هاي پايه سربي با روش متداول حالت جامد سنتز شد و سپس پارامترهاي موثر بر زينتر دو مرحله اي اين سراميك - از جمله دماي مرحله اول (T1)، دماي مرحله دوم (T2)، مدت زمان نگهداري در دماي T2 مطالعه شد. همچنين تاثير زينتر دو مرحله اي بر ريزساختار و چگالي اين تركيب نيز بررسي گرديد. بررسي هاي انجام شده به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) در كنار اندازه‌گيري چگالي نمونه ها حاكي از آن بود كه با زينتر دو مرحله اي KNN مي توان ريزساختار را به نحوي كنترل نمود كه بتوان به چگالي هايي تا 3/95% چگالي تيوري دست يافت، اين مقدار نسبت به چگالي نمونه هاي زينتر شده متداول كه اغلب در حدود 5/93% مي باشد، افزايش قابل ملاحظه اي نشان مي دهد. اين در حالي است كه مدت زمان نگه داري در دماي T2 با آنچه عموماًٌ براي زينتر متداول سراميك KNN استفاده مي‌گردد، فقط دو برابر است، در صورتي كه زينتر هاي دو مرحله اي تاكنون در مدت زمان هاي طولاني زينتر انجام مي شده است. همچنين اين افزايش چگالي در زينتر دو مرحله اي همراه با كاهش درصد تخلخل(45/2%) و كاهش ميانگين اندازه دانه(?m 72/3) بوده است، در صورتي كه مقادير درصد تخلخل و ميانگين اندازه دانه براي زينتر معمولي، 48/6% و ?m 48/6 مي باشد. لذا نتايج نشان مي دهد كه زينتر دو مرحله اي مي تواند به عنوان يك روش مناسب براي زينتر پيزوسراميك عاري از سرب KNN محسوب گردد.

Lead piezoelectric ceramics are containing a high percentage of lead. Due to the toxicity of lead and environmental problems, various attempts have been made to replace the piezoelectric ceramics. In this paper, lead-free piezoelectric powder Potassium Sodium Niobate (KNN) as a compound candidate to replace Lead piezoelectric synthesis with conventional solid-state and the parameters of the two-step sintering ceramics - such as the temperature of the first stage (T1), the second temperature (T2), and hold time at temperature T2 were studied. Also, the effect of two-step sintering on microstructure and density of compound was investigated. SEM images and density measurement results show a higher density (95.3%) and smaller grain size (3.72 ?m) and lower porosity (2.45%) KNN piezoceramics have been fabricated by different two-step sintering cycles, while the KNN ceramics with excellent density (93.5%) and grain size (4.42 ?m) and porosity (6.48%) were obtained by conventional sintering. Increasing T1 and T2 result in lower necessary time in the second step to reach higher density with smaller final grain size. Furthermore, two-step sintering can improve microstructure and density of the KNN piezoceramics. Result showed that the two-step sintering is a promising method in sintering of potassium sodium niobate lead-free piezoelectric ceramics.