การปรับปรุงสมบัติไพอิโซอิเล็กทริกของเซรามิก BNT โดยการ เจือสาร BCTS ที่สังเคราะห์ด้วยวิธีการเผาไหม้

Abstract

งานวิจัยนี้ศึกษาผลของอุณหภูมิที่มีต่อโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางไฟฟ้า ข องผงผลึกแ ล ะเซรามิก (Ba0 . 9 4 5Ca0 .05 5)(Ti0 . 910Sn0 . 09)O3 (BCTS) แ ล ะ (Bi0.5Na0.5TiO3)- 0.06(Ba0.945Ca0.055)(Sn0.09Ti0.91)O3:(0.94BNT-0.06BCST) ที่เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้และใช้ไกลซีน เป็นเชื้อเพลิงศึกษาศึกษาโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางกายภาพและสมบัติทางไฟฟ้า ของผงผลึกและเซรามิก นอกจากนั้นงานวิจัยนี้ศึกษาผลของการเจือสาร BCTS ในเซรามิก BNT ที่มีต่อ โครงสร้างผลึกและสมบัติไพอิโซอิเล็กทริก การศึกษาของผลของอุณหภูมิการเผา (แคลไซน์ที่อุณหภูมิ 1050 และ 1250 องศาเซลเซียส และซินเตอร์ที่อุณหภูมิ 1325 และ 1450 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง) ที่มีต่อการก่อเกิดเฟส โครงสร้างจุลภาค สมบัติไดอิเล็กทริก และพฤติกรรมความเครียดของเซรามิกไพอิโซอิเล็กทริกไร้สาร ตะกั่ว (Ba0.945Ca0.055)(Ti0.910Sn0.09)O3 (BCTS) ที่เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้แบบสถานะของแข็ง โดยใช้ ไกลซีนเป็นเชื้อเพลิง พบว่าผงผลึก BCTS ที่มีโครงสร้างเพอรอฟสไกต์บริสุทธิ์สามารถเตรียมได้โดยใช้ เงื่อนไขการแคลไซน์ที่อุณหภูมิ 1150 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง โครงสร้างจุลภาคของอนุภาค มีรูปร่างค่อนข้างกลมและเกาะกลุ่มกันขนาดใหญ่ในทุกตัวอย่าง ขนาดอนุภาคเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 158 เป็น 233 นาโนเมตร เมื่ออุณหภูมิแคลไซน์เพิ่มขึ้น จากผล XRD พบว่าเซรามิกแสดงโครงสร้างเฟส เดี่ยวแบบเพอรอฟสไกต์ในทุกตัวอย่าง และจากการวิเคราะห์ด้วยวิธี Rietveld refinement พบว่าที่ อุณหภูมิซินเตอร์ 1450 องศาเซลเซียส เซรามิกแสดงโครงสร้างเฟสผสมของออร์โธรอมบิก (O) เททระ โกนัล (T) และ รอมโบฮีดรัล (R) ในขณะที่อุณหภูมิการซินเตอร์อื่นๆ แสดงโครงสร้างเฟสร่วมระหว่าง O+T ขนาดเกรนเฉลี่ย ค่าความหนาแน่น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิ คูรีร้อยละเปอร์เซ็นต์ ความเครียดและ d33* เพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มขึ้นจนถึง 1400 องศาเซลเซียส แล้วลดลง ที่ อุณหภูมิซินเตอร์ 1400 องศาเซลเซียส เซรามิกแสดงโครงสร้างเฟสผสมของ O+T+R โครงสร้าง จุลภาคที่ดี ค่าความหนาแน่นสูงสุด (98%) ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (c  16252) และ ค่า d33* (866 pm/V) ที่ดีเยี่ยม การศึกษาผลของอุณหภูมิแคลไซน์ (600 ถึง 900 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 2 ชั่วโมง) และ อุณหภูมิซินเตอร์ (1100 ถึง 1200 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง) ที่มีต่อการก่อเกิดเฟส โครงสร้าง จุลภาคและสมบัติทางไฟฟ้าของผงผลึกและเซรามิก 0.94(Bi0.5Na0.5TiO3)0.06(Ba0.945Ca0.055) (Sn0.09Ti0.91)O3:(0.94BNT-0.06BCST) ปราศจากตะกั่ว ที่เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้ โดยใช้ไกลซีนเป็น เชื้อเพลิง พบว่าผงผลึกแสดงโครงสร้างเฟสเดี่ยวเพอรอฟสไกต์บริสุทธิ์ที่อุณหภูมิแคลไซน์ 650 องศา เซลเซียส ขนาดอนุภาคเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 210 เป็น 300 nm เมื่ออุณหภมิแคลไซน์เพิ่มขึ้นจาก 600 ข เป็น 900 องศาเซลเซียส เซรามิกแสดงโครงสร้างเฟสผสมระหว่างรอมโบฮีดรัลและเททระโกนัลในทุก ตัวอย่าง ขนาดเกรนเฉลี่ยเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มขึ้น ความหนาแน่น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (r และ m) สมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกและค่าสัมประสิทธิ์ไพอิโซอิเล็กทริกมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นไป จนถึง 1150 องศาเซลเซียส จากนั้นมีค่าลดลง ที่อุณหภูมิซินเตอร์ 1150 องศาเซลเซียส เซรามิก 0.94BNT-0.06BCTS แสดงค่าความหนาแน่นสูง (5.95 g/cm3 ) ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงสุด m = 6210 สมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกที่ดี (Pr =42.88 µc/cm2 , Ec = 37.34 kV/cm) และค่าสัมประสิทธิ์ไพอิโซอิ เล็กทริกสูงสุด (d33 = 189 pC/N) จุดประสงค์ของงานวิจัยนี้มุ่งเน้นปรับปรุงสมบัติไพอิโวอิเล็กทริกของเซรามิก BNT โดยการ เจือสาร BCTS ตามสมการเคมี (1-x)BNT-xBCST ที่ปริมาณ x เท่ากับ 0.03-0.09 เตรียมด้วยวิธีการ เผาไหม้ ศึกษาผลของปริมาณ x ที่มีต่อโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาค และสมบัติไพอิโซอิเล็กทริก ของเซรามิก (1-x)BNT-xBCST พบว่าเซรามิกที่ปริมาณ x = 0.03 ตัวอย่างแสดงโครงสร้างเฟสแบบ เททระโกนอลที่ไม่สมบูรณ์ และเมื่อปริมาณ x เพิ่มขึ้นจาก 0.04 ถึง 0.07 เซรามิกแสดงโครงสร้างเฟส แบบผสมระหว่างรอมโบฮีดรัลและเททระโกนัล ในขณะที่ตัวอย่างที่ปริมาณ x เพิ่มขึ้นระหว่าง 0.08- 0.09 เซรามิกมีโครงสร้างเฟสที่เป็นเททระโกนอลมากขึ้น เมื่อปริมาณ x มากขึ้น โครงสร้างจุลภาคของ เซรามิก (1-x)BNT-xBCST ที่ปริมาณ x เท่ากับ 0.03 ถึง 0.09 เกรนเซรามิกมีลักษณะเป็นทรงหลาย เหลี่ยมและมีการผลึกนึกตัวของเกรนดีในทุกอัตราส่วน โดยขนาดเกรนเฉลี่ยและค่าความหนาแน่นมีค่า เพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณ x เพิ่มขึ้นจนถึง 0.07 หลังจากนั้นมีค่าลดลง ส าหรับสมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกและค่า สัมประสิทธิ์ไพอิโซอิเล็กทริกของเซรามิก (1-x)BNT-xBCST ที่ปริมาณ x เท่ากับ 0.03 ถึง 0.09 พบว่า ที่ปริมาณการเจือสาร BCTS ที่ปริมาณ x เท่ากับ 0.07 แสดงสมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกและค่าสัมประสิทธิ์ ไพอิโซอิเล็กทริกที่ดีที่สุดโดยมีค่า Pr =32 µc/cm2 , Ec = 18 kV/cm และ d33  202 pC/N จากผล การทดลองแสดงให้เห็นว่าการเจือสาร BCTS ในปริมาณที่เหมาะสมสามารถพัฒนาค่าสัมประสิทธิ์ไพอิ โซอิเล็กทริกของเซรามิก BNT ได้ ท าให้เพิ่มประสิทธิ์ที่ภาพของเซรามิกที่ปราศจากตะกั่วในการน าไป ประยุกต์ใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่อไป