Hazırlayan:Nida EMANET Danışman: Yard. Doç. Dr. Metin Özgül 1
ELEKTROSERAMİK NEDİR? Elektroseramik terimi genel olarak elektronik, manyetik ve optik özellikleri olan seramik malzemeleri ifade etmektedir. Bir seramik malzeme bir elektrik alanına maruz kaldığında elektronik, manyetik ve optik özelliklerinde karakteristik değişiklikler görülür. Elektrik alanına verdikleri düzenli ve ölçülebilir tepkilerin e değişik ş teknolojik oj uygulamalarda kullanıldığı seramikler elektroseramik olarak adlandırılır. 2
Elektroseramikler, ileri teknoloji malzemelerinin en fazla uygulama alanı bulan grubunu oluşturmaktadır. Bu amaçla seramikler kullanılmaktadır. 1985 yılında üretilen ileri seramiklerin % 90 ından fazlasını elektronik seramikler oluşturmaktadır. 3
Kutuplaşma özelliği olan (polar) bir kristale basınç uygulanırsa yüzeylerinde yük birikimi iki i olur, dolayısıyla y iki uç arasında bir gerilim farkı doğar ve yüzeyler bir iletkenle birleştirilirse akım geçişi olur. Böylece mekanik etki olan basınç elektriksel büyüklüğe (akıma) dönüşür. Buna Düz veya Direk Piezoelektrik etki denilir. 4
Diğer taraftan aynı kristalin iki ucu arasına bir elektriksel l gerilim (voltaj) uygulanırsa eksi ki yükler artı elektroda (anot), artı yükler eksi elektroda (katot) doğru çekilir, eksi ve artı yük merkezleri arasında uzaklık artar ve bunun sonucu kristalin boyu uzar. Elektrik Alanın yönü değişirse aynı işaretli yükler birbirlerini iter ve kristalin boyu kısalır. Bu etkiye Tersinir Piezoelektrik etki denilir. 5
Piezoelektrik malzemeler üzerinde yürütülen üüül çalışmalar l daha çok haberleşme ve sonar teknolojileri geliştirmeye odaklanmıştır. 6
Geliştirilen bu teknolojilerden; radyo, mikrofon, fonograf, radar, telefon gibi birçok cihazda yararlanılmıştır. Ultrasonik dönüştürücü, piroelektrik kızılötesi algılayıcı gibi birçok endüstriyel ve ticari i uygulamalarda l kullanımı sürekli artmıştır. ş 7
Baryum titanat (BaTi0 3 ), kurşun zirkonat titanat t (Pb[Zr x Ti 1-x ]0 3 ) ve kuvars kristali çok kullanılan önemli piezoelektrik malzemelerdir. Piezoelektrik özelliğe sahip malzemelerde yerel kutuplar (dipoller) rasgele yönlenmiş halde iken numune net bir kutoplaşmaya (polarizasyon) sahip olamaz. Bu durumda malzemenin güçlü bir doğru akım (D.C.) altında kutuplanması (Poling) gerekir. 8
9
Burada baryumtitanatın kübik perovskit kristal yapısı görülmektedir. Kübik birim hücrenin köşelerinde birer adet Ba ² iyonu, yüzeylerinde O ² iyonları ve merkezde bir Ti iyonu vardır. 10
Yüksek simetrili kübik paraelektrik yapının distorsiyona uğrayarak daha düşük simetrili kristal yapılara dönüşümü ile kendiliğinden bir dipol oluşumu gerçekleşir. Bu tür kendiliğinden dipol içeren malzemelerde oluşan dipollerin yönünün ters yönde bir elektrik alanı (E) uygulanarak çevrilebildiği malzemelere l Ferroelektrik malzeme denir. Tüm ferroelektrik malzemeler aynı zamanda piezoelektriktir. BaTiO 3 ve PZT her iki özelliği de gösterirler. 11
Ferroelektrik seramiklerin yüksek dielektrik sabitesine sahip olması bu malzemelerin seramik kapasitör olarak kullanımına imkan vermektedir. 12
Çalışmamız Çl kapsamında bir piezo/ferro elektrik malzeme olan baryum titanata t kalay (Sn) katılarak üretilmesi amaçlanmıştır. 13
14
Baryum Karbonat Titanyum Dioksit Kalay Kl Oksit 15
16
ağ%5 oranında Sn-katkılı BaTiO3 hammaddelerin homojenizasyon ve toz boyutu küçültme amacıyla TUAM da bilyeli yatay değirmende 12 saat öğütülmesiyle l ve karbonatların parçalanması amacıyla 600 0 C de 4 sa. kalsine edilmesiyle üretilmiştir. 17
Kalsine edilen toz karışımına öğütme işlemi uygulanarak 125 μm altı tane boyutu elde edilmiştir. Daha sonra tek eksenli kuru presleme yöntemi iile yaklaşık k 3260 kg/cm 2 basınç altında numuneler şekillendirilmiştir. 18
*Pikler Tetragonal BaTiO 3 ile eşleşmiştir. 19
-600 o C & 3 saat -100 o C/sa 20
Bağlayıcı uzaklaştırma işlemine tabi tutulan numunelere 1100 C, 1200 C ve 1300 C de 4 saat süre ile sinterleme yapılmıştır. Sinterleme fırın ısıtma hızı 5 C/dk dır. 21
Sinterleme öncesi Sinterleme sonrası 22
Sinterlenen numuneler yüzeylerindeki pürüzlerin giderilmesi için zımparalama işlemine tabi tutulmuştur. Bu işlem için 400,800,1000 ve 1200 lük zımparalar kullanılmıştır. 23
Yoğunluk Sinterleme Küçülmesi Kapasitans (C), Dielektrik Sabiti (Ɛ r ) ve Dilk DielektrikK Kayıp (tanδ) SEM Analizi 24
Numuneler h (mm) R (mm) Alan (πr²,mm²) Hacim (V,mm3) Ağırlık (m,gr) Yoğunluk (gr\cm 3 ) 1.Numune (1100 C) 1,35 12,47 122,13 164,87 0,7230 4,385 2.Numune 1,33 (1200 C) 1,33 12,73 127,28 169,28 0,7112 4,201 3.Numune (1300 C) 1,44 12,38 120,37 173,34 0,7299 4,211 25
Numune Numarası %AğırlıkKayıpları 1-5,229 2-5,061 3-5,463 4-5,017 5-5,533 533 6-5,658 7-4,350 8-4,172 9-5,097 10-4,685 26
1100 C 27
1200 C 28
1300 C 29
1100 0C 1300 0C 1200 0C Farklı sıcaklıklarda 4 saat sinterlenen numunelerin SEM görüntülerinin karşılaştırılması 30
Numuneler Kapasitans (Farad) Dielektrik Sabiti Dielektrik Kayıp 1N 1.Numune 688,06.10 ¹² 860 0,0293 0293 (1100 C) 2.Numune 722,03.10 ¹² 852 0,0268 (1200 C) 3.Numune (1300 C) 766,99.10 ¹² 1036 0,0227 31
Sn katkısının BaTiO 3 numunelerin sinterlenmesindeetkisi it id tki i incelenmiştir. i Farklı sıcaklıklarda sinterlenen numunelerin SEM ile incelenen mikro yapıları, çok bariz bir farklılık olmadığını göstermiş; yüksek sıcaklıkta kt (1300 0 C) elde edilen yapının çok daha düşük sıcaklıklarda (1100 0 C) da elde edilebildiğini ortaya koymuştur. 32
Elektroseramik malzemelerde önemli bir kriter dielektrik kayıp (tan δ) değeridir. Bu değerin yaklaşık olarak0.02 civarında olması endüstriyel uygulamalar için istenir. Farklı sıcaklıklarda sinterlenen numunelerin dielektrik kayıp değerleri bu kritere göre vurulduğunda en iyi değerin 1300 0 C de sinterlenen numunede (0,0227) 0227) ölçüldüğü görülmüştür. Ancak diğer sıcaklıklarda üretilen numunelerde ölçülen değerler de yakındır. 33
BaTiO3 esaslı malzemeler kapasitör uygulamalarında kullanım alanı bulur. Bu bakımdan kapasitans veya dielektrik sabitinin yüksek olması istenir. Bu çalışmada elde edilen numunelerin dielektrik sabiti değerleri istenen düzeydedir. 1000 in üzerine çıkan değerler elde edilebilmiştir. Numunelerin güçlü bir doğru akımla elektriksel kutuplama işleminden geçmesiyle ölçülen değerlerinğ dh daha da artacağığ düşünülmektedir. ü ül di 34