Disertační práce je motivována aktuální potřebou nahradit světově známou a v průmyslu široce využívanou olovnatou keramiku Pb(ZrxTix-1)O3 (zkráceně PZT) za systém, který by byl šetrnější k životnímu prostředí. Disertace práce je proto zaměřena na materiálovou charakterizaci vybraných tuhých roztoků: bezolovnaté keramiky (Bi0,5Na0,5)TiO3-(Bi0,5K0,5)TiO3-BaTiO3 (zkráceně BNBK), Ba2NdTi2Nb3O15 (BNTN) a na novou keramiku s nízkým obsahem olova SrPb8Ce2Ti12O36 (SP8CT). Sledovány jsou piezoelektrické, dielektrické a elastické vlastnosti těchto keramik, zvláště feroelektrické keramiky BNBK. Byl zkoumán vliv vnějšího stejnosměrného elektrického pole a hydrostatického tlaku na elektromechanické vlastnosti pro různé teploty. Pro keramiky typu BNBK, BNTN a SP8CT byly z experimentálně zjištěných rychlostí šíření podélných a příčných ultrazvukových vln vypočteny příslušné elastické moduly. Elektromechanické vlastnosti uvedených keramik byly určeny pomocí několika experimentálních metod připravených, resp. vyvinutých v Piezoelektrické laboratoři Katedry fyziky TU v Liberci. Jde zejména o rezonanční metodu, ultrazvuková měření rychlostí šíření ultrazvukových vln, měření polarizačních a deformačních hysterezních smyček, dynamickou hydrostatickou metodu. Měření byla prováděna za definovaných fyzikálních podmínek. Naměřená data umožňují vypočítat řadu materiálových parametrů. Data byla přehledně zpracována a zjištěné materiálové vlastnosti byly diskutovány a srovnávány s publikovanými údaji, pokud takové údaje existují.
Anotace v angličtině
The dissertation is motivated by the need to replace lead-based ceramics Pb(ZrxTix-1)O3 (abbreviated as PZT), which is renowned currently worldwide known and widely used in the industry, by a system that would be more environmentally friendly. The dissertation thesis is therefore focused on the material characterization of the selected solid solutions: lead-free ceramics (Bi0,5Na0,5)TiO3-(Bi0,5K0,5)TiO3-BaTiO3 (abbreviated BNBK), Ba2NdTi2Nb3O15 (BNTN) and the new ceramics with low lead content SrPb8Ce2Ti12O36 (SP8CT). Piezoelectric, dielectric and elastic properties of the ceramics, especially ferroelectric ceramics BNBK are observed. The influence of an external DC electric field and the hydrostatic pressure on the electromechanical properties was studied for different temperatures. Velocities of the ultrasound longitudinal and shear wave propagation were experimentally observed and the elastic modules of the ceramics BNBK, BNTN and SP8CT were calculated. The electromechanical properties of these ceramics were determined using several experimental methods prepared, respectively developed in the Piezoelectric laboratory at the Department of Physics at TUL. These are especially the resonant method, ultrasound velocity measurements of the ultrasound waves, polarization and strain hysteresis loops measurements and the dynamic hydrostatic method. The measurements were performed under defined physical conditions. The measured data enable to calculate an amount of material parameters. The data was clearly elaborated and detected material properties were discussed and compared with published data, where such data exist.
Klíčová slova
bezolovnaté keramiky BNBK a BNTN, keramika s nízkým obsahem olova SP8CT, elektromechanické vlastnosti, experimentální metody.
Klíčová slova v angličtině
lead-free ceramics BNBK and BNTN, ceramics with low lead content SP8CT, electromechanical properties, experimental methods.
Rozsah průvodní práce
107s.
Jazyk
CZ
Anotace
Disertační práce je motivována aktuální potřebou nahradit světově známou a v průmyslu široce využívanou olovnatou keramiku Pb(ZrxTix-1)O3 (zkráceně PZT) za systém, který by byl šetrnější k životnímu prostředí. Disertace práce je proto zaměřena na materiálovou charakterizaci vybraných tuhých roztoků: bezolovnaté keramiky (Bi0,5Na0,5)TiO3-(Bi0,5K0,5)TiO3-BaTiO3 (zkráceně BNBK), Ba2NdTi2Nb3O15 (BNTN) a na novou keramiku s nízkým obsahem olova SrPb8Ce2Ti12O36 (SP8CT). Sledovány jsou piezoelektrické, dielektrické a elastické vlastnosti těchto keramik, zvláště feroelektrické keramiky BNBK. Byl zkoumán vliv vnějšího stejnosměrného elektrického pole a hydrostatického tlaku na elektromechanické vlastnosti pro různé teploty. Pro keramiky typu BNBK, BNTN a SP8CT byly z experimentálně zjištěných rychlostí šíření podélných a příčných ultrazvukových vln vypočteny příslušné elastické moduly. Elektromechanické vlastnosti uvedených keramik byly určeny pomocí několika experimentálních metod připravených, resp. vyvinutých v Piezoelektrické laboratoři Katedry fyziky TU v Liberci. Jde zejména o rezonanční metodu, ultrazvuková měření rychlostí šíření ultrazvukových vln, měření polarizačních a deformačních hysterezních smyček, dynamickou hydrostatickou metodu. Měření byla prováděna za definovaných fyzikálních podmínek. Naměřená data umožňují vypočítat řadu materiálových parametrů. Data byla přehledně zpracována a zjištěné materiálové vlastnosti byly diskutovány a srovnávány s publikovanými údaji, pokud takové údaje existují.
Anotace v angličtině
The dissertation is motivated by the need to replace lead-based ceramics Pb(ZrxTix-1)O3 (abbreviated as PZT), which is renowned currently worldwide known and widely used in the industry, by a system that would be more environmentally friendly. The dissertation thesis is therefore focused on the material characterization of the selected solid solutions: lead-free ceramics (Bi0,5Na0,5)TiO3-(Bi0,5K0,5)TiO3-BaTiO3 (abbreviated BNBK), Ba2NdTi2Nb3O15 (BNTN) and the new ceramics with low lead content SrPb8Ce2Ti12O36 (SP8CT). Piezoelectric, dielectric and elastic properties of the ceramics, especially ferroelectric ceramics BNBK are observed. The influence of an external DC electric field and the hydrostatic pressure on the electromechanical properties was studied for different temperatures. Velocities of the ultrasound longitudinal and shear wave propagation were experimentally observed and the elastic modules of the ceramics BNBK, BNTN and SP8CT were calculated. The electromechanical properties of these ceramics were determined using several experimental methods prepared, respectively developed in the Piezoelectric laboratory at the Department of Physics at TUL. These are especially the resonant method, ultrasound velocity measurements of the ultrasound waves, polarization and strain hysteresis loops measurements and the dynamic hydrostatic method. The measurements were performed under defined physical conditions. The measured data enable to calculate an amount of material parameters. The data was clearly elaborated and detected material properties were discussed and compared with published data, where such data exist.
Klíčová slova
bezolovnaté keramiky BNBK a BNTN, keramika s nízkým obsahem olova SP8CT, elektromechanické vlastnosti, experimentální metody.
Klíčová slova v angličtině
lead-free ceramics BNBK and BNTN, ceramics with low lead content SP8CT, electromechanical properties, experimental methods.
Zásady pro vypracování
Disertační práce je motivována aktuální potřebou nahradit světově známou a v průmyslu široce využívanou olovnatou keramiku Pb(ZrxTix-1)O3 (zkráceně PZT) za systém, který by byl šetrnější k životnímu prostředí.
Zásady pro vypracování
Disertační práce je motivována aktuální potřebou nahradit světově známou a v průmyslu široce využívanou olovnatou keramiku Pb(ZrxTix-1)O3 (zkráceně PZT) za systém, který by byl šetrnější k životnímu prostředí.
Seznam doporučené literatury
[1] BARNHART, R.K.: The Barnhart Concise Dictionary of Etymology, H.W. Wilson Company, 1988.
[2] Lead-free piezoelectric materials of the future. PHYSorg.com. 14 Sep 2010. http://www.physorg.com/news203674690.html
[3] JAFFE, B., COOK, W.R., JAFFE, H.: Piezoelectric Ceramics. Academic Press, London, 1971.
[4] UCHINO, K.: Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors. Kluwer Academic Publishers, Boston, 1997.
[5] MOULSON, A.J., HERBERT, J.M.: Electroceramics: Materials, Properties and Applications. John Wiley & Sons Ltd., New York, 2003.
[6] SETTER, N.: Piezoelectric Materials and Devices. Ceramics Laboratory, EPFL Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, 2005.
[7] SAITO, Y., TAKAO, H., TANI, T., NONOYAMA, T., TAKATORI, K., HOMMA, T., NAGAYA, T., NAKAMURA, M.: High Performance Lead-free Piezoelectric Material. Review of Toyota CRDL, 41, (2004), 22-28.
[8] Lead-free Piezoelectric Ceramics. YTC America Inc.; Research & Development. (2008). http://ytca.com/lead_free_piezoelectric_ceramics
[9] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/95/ES: Omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních. Úř. věst. L 37/19, 2003, 127-131.
[10] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/96/ES: Směrnice o odpadních elektrických a elektronických zařízeních (OEEZ). Úř. věst. L 37/24, 2003, 359-374.
[11] NEWNHAM, R.E.: Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure. Oxford University Press, Oxford, 2005.
[12] HEYWANG, W., LUBITZ, K., WERSING, W.: Piezoelectricity. Springer Series in Materials Science, Berlin, 2008.
[13] NYE, J.F.: Physical Properties of Crystals. Oxford Science Publications, Oxford, 1993.
[14] SHROUT, T.R., ZHANG, S.J.: Lead-free piezoelectric ceramics: Alternatives for PZT? Journal of Electroceramics, 19, (September 2007), 111?124.
Materiálová charakterizace bezolovnatých a olovnatých keramik
96
[15] HIRŠL, J., ČERNOHLÁVEK, D., STEFAN, O., ČERMÁK, F.: Keramická piezoelektrika- vlastnosti a technické použití. Tesla, Praha, 1970.
[16] ZELENKA, J.: Piezoelektrické rezonátory a jejich použití. Praha: Academia, 1983.
[17] OBRAZ, J.: Zkoušení materiálu ultrazvukem. SNTL Nakladatelství technické literatury, Praha, 1989.
[18] VIEHLAND, D.: Effect of uniaxial stress upon the electromechanical properties of various piezoelectric ceramics and single crystals. J. Amer. Ceram. Soc. (2006), 89, 775-785.
[19] BERLINCOURT, D., JAFFE, H. Elastic and piezoelectric coefficients of single-crystal barium titanate. Phys. Rev., 111, (1958), 143-148.
[20] HAMILTON TYLER.: Battery Breakthrough? Technology Review (2007, January 22); http://www.technologyreview.com/biztech/18086.
[21] WADA, S., SUZUKI, S., NOMA, T., SUZUKI, T., OSADA, M., KAKIHANA, M., PARK, S.E., CROSS, L., SHROUT, T.R.: Enhanced piezoelectric property of barium titanate single crystals with engineered domain configurations. Japanese Journal of Applied Physics, 38, (1999), 5505-5511.
[22] WADA, S., YAKO, K., YOKOO, K., KAKEMOTO, H., TSURUMI, T.: Domain wall engineering in barium titanate single crystals for enhanced piezoelectric properties. Ferroelectrics, 334, (2006), 17-27.
[23] SMOLENSKII, G.A., ISUPOV, V.A., AGRANOVSKAYA, A.I., KRAINIK, N.N.: New Ferroelectrics of Complex Composition. IV. Sov. Phys.-Solid State, 2, (1961), 2651-2654.
[24] HIRUMA, Y., AOYAGI, R., NAGATA, H., TAKENAKA, T.: Ferroelectric and piezoelectric properties of (Bi1/2K1/2) TiO3 ceramics. Jpn. J. Appl. Phys., 44, (2005), 5040-5044.
[25] HIRUMA, Y., NAGATA, H., TAKENAKA, T.: Grain-size effect on electrical properties of (Bi1/2K1/2) TiO3 ceramics. Jpn. J. Appl. Phys., 46, (2007), 1081-1084.
[26] JONES, G.O., THOMAS, P.A.: Investigation of the structure and phase transitions in the novel A-site substituted distorted perovskite compound Na0.5Bi0.5TiO3. Acta Crystallogr. B-Struct. Sci., 58, (2002), 168-178.
Materiálová charakterizace bezolovnatých a olovnatých keramik
97
[27] HIRUMA, Y., NAGATA, H., TAKENAKA, T.: Thermal depoling process and piezoelectric properti
Seznam doporučené literatury
[1] BARNHART, R.K.: The Barnhart Concise Dictionary of Etymology, H.W. Wilson Company, 1988.
[2] Lead-free piezoelectric materials of the future. PHYSorg.com. 14 Sep 2010. http://www.physorg.com/news203674690.html
[3] JAFFE, B., COOK, W.R., JAFFE, H.: Piezoelectric Ceramics. Academic Press, London, 1971.
[4] UCHINO, K.: Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors. Kluwer Academic Publishers, Boston, 1997.
[5] MOULSON, A.J., HERBERT, J.M.: Electroceramics: Materials, Properties and Applications. John Wiley & Sons Ltd., New York, 2003.
[6] SETTER, N.: Piezoelectric Materials and Devices. Ceramics Laboratory, EPFL Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, 2005.
[7] SAITO, Y., TAKAO, H., TANI, T., NONOYAMA, T., TAKATORI, K., HOMMA, T., NAGAYA, T., NAKAMURA, M.: High Performance Lead-free Piezoelectric Material. Review of Toyota CRDL, 41, (2004), 22-28.
[8] Lead-free Piezoelectric Ceramics. YTC America Inc.; Research & Development. (2008). http://ytca.com/lead_free_piezoelectric_ceramics
[9] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/95/ES: Omezení používání některých nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních. Úř. věst. L 37/19, 2003, 127-131.
[10] Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/96/ES: Směrnice o odpadních elektrických a elektronických zařízeních (OEEZ). Úř. věst. L 37/24, 2003, 359-374.
[11] NEWNHAM, R.E.: Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure. Oxford University Press, Oxford, 2005.
[12] HEYWANG, W., LUBITZ, K., WERSING, W.: Piezoelectricity. Springer Series in Materials Science, Berlin, 2008.
[13] NYE, J.F.: Physical Properties of Crystals. Oxford Science Publications, Oxford, 1993.
[14] SHROUT, T.R., ZHANG, S.J.: Lead-free piezoelectric ceramics: Alternatives for PZT? Journal of Electroceramics, 19, (September 2007), 111?124.
Materiálová charakterizace bezolovnatých a olovnatých keramik
96
[15] HIRŠL, J., ČERNOHLÁVEK, D., STEFAN, O., ČERMÁK, F.: Keramická piezoelektrika- vlastnosti a technické použití. Tesla, Praha, 1970.
[16] ZELENKA, J.: Piezoelektrické rezonátory a jejich použití. Praha: Academia, 1983.
[17] OBRAZ, J.: Zkoušení materiálu ultrazvukem. SNTL Nakladatelství technické literatury, Praha, 1989.
[18] VIEHLAND, D.: Effect of uniaxial stress upon the electromechanical properties of various piezoelectric ceramics and single crystals. J. Amer. Ceram. Soc. (2006), 89, 775-785.
[19] BERLINCOURT, D., JAFFE, H. Elastic and piezoelectric coefficients of single-crystal barium titanate. Phys. Rev., 111, (1958), 143-148.
[20] HAMILTON TYLER.: Battery Breakthrough? Technology Review (2007, January 22); http://www.technologyreview.com/biztech/18086.
[21] WADA, S., SUZUKI, S., NOMA, T., SUZUKI, T., OSADA, M., KAKIHANA, M., PARK, S.E., CROSS, L., SHROUT, T.R.: Enhanced piezoelectric property of barium titanate single crystals with engineered domain configurations. Japanese Journal of Applied Physics, 38, (1999), 5505-5511.
[22] WADA, S., YAKO, K., YOKOO, K., KAKEMOTO, H., TSURUMI, T.: Domain wall engineering in barium titanate single crystals for enhanced piezoelectric properties. Ferroelectrics, 334, (2006), 17-27.
[23] SMOLENSKII, G.A., ISUPOV, V.A., AGRANOVSKAYA, A.I., KRAINIK, N.N.: New Ferroelectrics of Complex Composition. IV. Sov. Phys.-Solid State, 2, (1961), 2651-2654.
[24] HIRUMA, Y., AOYAGI, R., NAGATA, H., TAKENAKA, T.: Ferroelectric and piezoelectric properties of (Bi1/2K1/2) TiO3 ceramics. Jpn. J. Appl. Phys., 44, (2005), 5040-5044.
[25] HIRUMA, Y., NAGATA, H., TAKENAKA, T.: Grain-size effect on electrical properties of (Bi1/2K1/2) TiO3 ceramics. Jpn. J. Appl. Phys., 46, (2007), 1081-1084.
[26] JONES, G.O., THOMAS, P.A.: Investigation of the structure and phase transitions in the novel A-site substituted distorted perovskite compound Na0.5Bi0.5TiO3. Acta Crystallogr. B-Struct. Sci., 58, (2002), 168-178.
Materiálová charakterizace bezolovnatých a olovnatých keramik
97
[27] HIRUMA, Y., NAGATA, H., TAKENAKA, T.: Thermal depoling process and piezoelectric properti