طراحي، ساخت و بهبود ‌پيزوالكتريك‌هاي بدون‌سرب KNN استفاده شده در مبدل‌هاي فراصوتي زيرآبي

Design, manufacturing and improve lead-free piezoelectric (K0.5Na0.5) NbO3 used in ultrasonic underwater transducers

مواد فروالكتريك پايه سربي و علي‌الخصوص Pb(ZrTi)O3 به علت دارا بودن خواص پيزوالكتريك عالي داراي كاربردهاي وسيعي در عملگرها ، حسگرها و مبدل‌هاي پيزوالكتريك هستند. از طرفي، بيش از 60 درصد وزني اين تركيبات را سرب تشكيل مي‌دهد. با در نظر گرفتن سمي بودن سرب تلاش‌هاي فراواني به منظور گسترش موادي سازگار با بدن و محيط زيست صورت گرفته است. در اين پژوهش سراميك نايوبات پتاسيم-سديم (KNN) به عنوان مهمترين خانواده از پيزوسراميك‌هاي عاري از سرب با استفاده از روش آلياژسازي مكانيكي ساخته شد و فرآيندهاي سنتز پودر، زينتر و خواص الكتريكي آن مورد بررسي قرار گرفت. بررسي مشخصات پودر سنتز شده با استفاده از آزمايشات XRD و SEM نشان داد كه كلسيناسيون مواد اوليه در دماي C˚850 منجر به دستيابي به پودر هموژن و تك فاز KNN مي‌گردد. در دماي بهينه زينتر 1000 درجه سانتيگراد، مقادير قابل قبول 643، pC/N140 و 01/0 به ترتيب براي ثابت دي‌الكتريك نسبي(rε)، ضريب بار پيزوالكتريك (d33)و اتلاف دي‌الكتريك به دست آمد.

Abstract: Due to excellent piezoelectric properties, lead-based ferroelectric materials and more particularly the Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) are widely used in actuators, sensors and transducers. However, these ceramics contain more than 60% PbO. With regard to the toxicity of lead, many efforts have been made to develop environmentally friendly and non-hazardous materials. In the present work, Potassium-Sodium Niobate (KNN) ceramics as the most important family of lead-free piezoceramics were fabricated by mechanical-Alloying reaction route and the synthesis and sintering processes as well as electrical properties of these ceramics were investigated. Characterization of synthesized powders by XRD, SEM revealed that calcination of raw materials at 850°C leads to a homogeneous and single-phase KNN powders. At optimum sintering temperature of 1000°C, the desirable values of 643, 140 pC/N and 0/01 were obtained for dielectric constant(εr),piezoelectric charge coefficient (d33) and loss factor, respectively.