BibTex RIS Cite

Structural and Dielectric Properties of Lead-Free Sodium Bismuth Titanate (NBT) Ceramics and Their Impedance Spectroscopy Analyses

Year 2014, Volume: 14 Issue: 3, 73 - 78, 01.12.2014

Abstract

Among lead-free based piezoelectric ceramics with perovskite structure, sodium bismuth titanate based ceramics [(Na0,5,Bi0,5)TiO3 ; (NBT)] have very important piezoelectric properties. However, the polling process of unmodified NBT ceramics is very difficult due to exhibiting high ionic conductivity and large coercive field at room temperature.Therefore, nowadays binary 0,94(Na0,5,Bi0,5)TiO3-0,06BaTiO3 and ternary (Na0,5,Bi0,5)TiO3-BaTiO3-(K0,5,Na0,5)NbO3 systems have been developed to alternative (Pb,Zr)TİO3 ceramics. In this study, the structural and dielectric properties of unmodified NBT ceramics as well as (Na0,5,Bi0,5)TiO3-BaTiO3 (NBT-BT) and 0,92(Na0,5,Bi0,5)TiO3-0,06BaTiO3-0,02(K0,5,Na0,5)NbO3(NBT-BT-KNN) ceramics were investigated in detail. All ceramics were crystallized perovskite structure without any secondary phase which to be observed from X-ray analyzed. The electrical behavior of all ceramics was exhibited with an impedance spectroscopy as a function of frequency from 100 Hz up to 10 MHz. The relative density of NBT, NBT-BT and NBT-BT-KNN ceramics were 94%, 98% and 96%, respectively. The highest dielectric constant of measured temperatures (Tm) in NBT, NBT-BT and NBTBT-KNN NBT, NBT-BT and NBT-BT-KNN ceramics were 328oC, 300oC and 287oC, respectively. Tm point was shifted to the lower temperatures with modification. The dielectric constants of NBT, NBT-BT and NBT-BT-KNN NBT were 646, 1451 and 1487 at room temperature, respectively. © Afyon Kocatepe Üniversitesi

References

  • Alkoy S., Dursun, S., 2012. Processing and Properties of Textured Potassium Strontium Niobate (KSr2Nb5O15) Ceramic Fibers – Texture Development. J. Am. Ceram. Soc., 95[3], 937-945.
  • Heartling, G.H., 1999. Ferroelectric Ceramics: History and Technology. J. Am. Ceram. Soc., 82, 797-818 [4].
  • Lee, W.C., Huang, C.Y., Tsao, L.K., Wu, Y.C, 2009. Chemical composition and tolerance factor at the morphotropic phase boundary in (Bi0.5Na0.5)TiO3- based piezoelectric ceramics. J. Eur. Ceram. Soc., 29, 1443-1448.
  • Li, Y., Chen, W., Zhou, J., Xu, Q., Gu, X., Lia, R., 2005. Impedance spectroscopy and dielectric properties of Na0.5Bi0.5TiO3–NaNbO3 ceramics. Physica B, 365, 76- 81.
  • Lin, Y., Zhao S., Cai, N., Wu J., Zhou, X., Nan, C.W., 2003. Effects of doping Eu2O3 on the phase transformation and piezoelectric properties of Na0.5Bi0.5TiO3-based ceramics. Material. Sci. and Eng. B, 99, 449-452.
  • Maeder, M.D., Damjanovic, D., Setter, N., 2004. Lead Free Piezoelectric Materials. J. Electroceram., 13, 385-392.
  • Menşur Alkoy, E., Yavuz, A.B., 2012. Electrical properties and impedance spoectroscopy of pure and copper oxide added potassium sodium niobate ceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 59 (10), 1121-1128.
  • Moulson, A.J., and Herbert, J.M., 2003, Electroceramic: Materials Properties and Applications, John Wiley and Sons Inc., 85-89.
  • Pisarevsky, Y.V., Senyushenkov, P.A., Mill, B.V., Moisseeva, N.A., 1998. Elastic, Piezoelectric, Dielectric Properties of La3Ga5.5Ta0.5O14 Single Crystals. IEEE International Frequency Control Symposium, 742-747.
  • Saito, Y., Takao, H., Tani, T., Nonoyama, T., Takatori, K., Homma, T., Nagaya, T., Nakamura, M., 2004. Lead- free piezoceramics. Nature, 432, 84-87.
  • Sakata, K., Takenaka, T., Takai, H., Shoji, K., 1978. Hot- forged ferroelectric ceramics of some bismuth compounds with layer structure. Ferroelectrics, 22, 825-826.
  • Schmitt, L.A., Kling, J., Hinterstein, M., Hoelzel, M., Jo, W., Kleebe, H.J., Fuess, H., 2011. Structural investigations on lead-free Bi1/2Na1/2TiO3-based Piezoceramics. J. Mater Sci, 46, 4343-4376.
  • Shao, S., Zhang, J., Zhang, Z., Zheng, P., Zhao, M., Li, J., Wang, C., 2008. High piezoelectric properties and domain configuration in BaTiO3 ceramics obtained through the solid-state reaction route. J. Phys D: Appl. Phys. 41, 125408.
  • Shrout, T.R., Zhang, S.J., 2007. Lead-free piezoelectric ceramics: Alternatives for PZT? J. Electroceram., 19, 111-124.
  • Suchanicz, J., Kusz, J., Böhm, H., Duda, H., Mercurio, J.P., Konieczny, K., 2003. Structural and dielectric properties of (Na0.5Bi0.5)0.70Ba0.30TiO3 ceramics. J. Eur. Ceram. Soc., 23, 1559-1564.
  • Yılmaz, H., Mckinstry, S.T., Messing, G.L., (2003). (Reactive) Templated Grain Growth of Textured Sodium Bismuth Titanate (Na1/2Bi1/2TiO3-BaTiO3) Ceramics—II Dielectric and Piezoelectric Properties. Journal of Electroceramics, 11, 217-226.
  • Zhang, S., Kounga, A.B., Aulbach, E., Jo, W., Granzow, T., Ehrenberg , H., Rödel, J., 2008 Lead-free piezoceramics with giant strain in the system Bi0.5Na0.5TiO3–BaTiO3–K0.5Na0.5NbO3. Temperature dependent properties. J.Appl. Phys., 103, 0.3410817. II.
  • Zhou, J., Peng, W.W., Zhang, D., Yang, X.Y., Chen, W., 2008. Polarization properties of Na1/2Bi1/2TiO3 system: First-principles calculation and experiment. Computational Material Science, 44, 67-71.

Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri ve Empedans Spektroskopi Analizleri

Year 2014, Volume: 14 Issue: 3, 73 - 78, 01.12.2014

Abstract

Kurşunsuz sistemler arasında yer alan sodyum bizmut titanat [(Na0,5,Bi0,5)TiO3 ; (NBT)] esaslı seramikler önemli piezoelektrik özelliklere sahiptirler. Ancak, katkısız NBT seramiklerin yüksek iyonik iletkenliğe ve oda sıcaklığında yüksek kalıntı polarizasyona sahip olmaları nedeniyle kutuplanmaları zordur. Bu nedenle günümüzde ikili (Na0,5,Bi0,5)TiO3-BaTiO3 ve üçlü (Na0,5,Bi0,5)TiO3-BaTiO3-(K0,5,Na0,5)NbO3seramik sistemleri (Pb,Zr)TiO3 alternatif sistemler olarak geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bu çalışmada, katkısız NBT seramiklerin yanı sıra 0,94(Na0,5,Bi0,5)TiO3-0,06BaTiO3 (NBT-BT) ve 0,92(Na0,5,Bi0,5)TiO30,06BaTiO3-0,02(K0,5,Na0,5)NbO3 (NBT-BT-KNN) seramiklerin yapısal ve dielektrik özellikleri detaylı olarak araştırılmıştır. X-ışınları analizlerinden tüm seramiklerin herhangi bir ikincil faz içermeden perovskit yapıda kristalleştiği gözlemlenmiştir. Söz konusu sistemlerin elektriksel davranışları empedans spektroskopisi yöntemi kullanılarak 100 Hz’ den 10 MHz’e kadar frekansın bir fonksiyonu olarak ortaya konulmuştur. NBT, NBT-BT ve NBT-BT-KNN seramiklerin göreceli yoğunlukları sırasıyla % 94, % 98 ve %96’dır. Dielektrik sabitinin en yüksek olduğu sıcaklık (Tm) NBT, NBT-BT ve NBT-BT-KNN seramiklerde sırasıyla 328oC, 300oC ve 287 oC olarak ölçülmüştür. Yapılan katkılar ile Tm daha düşük sıcaklıklara ötelenmiştir. NBT seramiklerin oda sıcaklığındaki dielektrik sabitleri 646 iken, NBT-BT ve NBT-BT-KNN seramiklerin dielektrik sabitleri sırasıyla 1451 ve 1487’dir

References

  • Alkoy S., Dursun, S., 2012. Processing and Properties of Textured Potassium Strontium Niobate (KSr2Nb5O15) Ceramic Fibers – Texture Development. J. Am. Ceram. Soc., 95[3], 937-945.
  • Heartling, G.H., 1999. Ferroelectric Ceramics: History and Technology. J. Am. Ceram. Soc., 82, 797-818 [4].
  • Lee, W.C., Huang, C.Y., Tsao, L.K., Wu, Y.C, 2009. Chemical composition and tolerance factor at the morphotropic phase boundary in (Bi0.5Na0.5)TiO3- based piezoelectric ceramics. J. Eur. Ceram. Soc., 29, 1443-1448.
  • Li, Y., Chen, W., Zhou, J., Xu, Q., Gu, X., Lia, R., 2005. Impedance spectroscopy and dielectric properties of Na0.5Bi0.5TiO3–NaNbO3 ceramics. Physica B, 365, 76- 81.
  • Lin, Y., Zhao S., Cai, N., Wu J., Zhou, X., Nan, C.W., 2003. Effects of doping Eu2O3 on the phase transformation and piezoelectric properties of Na0.5Bi0.5TiO3-based ceramics. Material. Sci. and Eng. B, 99, 449-452.
  • Maeder, M.D., Damjanovic, D., Setter, N., 2004. Lead Free Piezoelectric Materials. J. Electroceram., 13, 385-392.
  • Menşur Alkoy, E., Yavuz, A.B., 2012. Electrical properties and impedance spoectroscopy of pure and copper oxide added potassium sodium niobate ceramics. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 59 (10), 1121-1128.
  • Moulson, A.J., and Herbert, J.M., 2003, Electroceramic: Materials Properties and Applications, John Wiley and Sons Inc., 85-89.
  • Pisarevsky, Y.V., Senyushenkov, P.A., Mill, B.V., Moisseeva, N.A., 1998. Elastic, Piezoelectric, Dielectric Properties of La3Ga5.5Ta0.5O14 Single Crystals. IEEE International Frequency Control Symposium, 742-747.
  • Saito, Y., Takao, H., Tani, T., Nonoyama, T., Takatori, K., Homma, T., Nagaya, T., Nakamura, M., 2004. Lead- free piezoceramics. Nature, 432, 84-87.
  • Sakata, K., Takenaka, T., Takai, H., Shoji, K., 1978. Hot- forged ferroelectric ceramics of some bismuth compounds with layer structure. Ferroelectrics, 22, 825-826.
  • Schmitt, L.A., Kling, J., Hinterstein, M., Hoelzel, M., Jo, W., Kleebe, H.J., Fuess, H., 2011. Structural investigations on lead-free Bi1/2Na1/2TiO3-based Piezoceramics. J. Mater Sci, 46, 4343-4376.
  • Shao, S., Zhang, J., Zhang, Z., Zheng, P., Zhao, M., Li, J., Wang, C., 2008. High piezoelectric properties and domain configuration in BaTiO3 ceramics obtained through the solid-state reaction route. J. Phys D: Appl. Phys. 41, 125408.
  • Shrout, T.R., Zhang, S.J., 2007. Lead-free piezoelectric ceramics: Alternatives for PZT? J. Electroceram., 19, 111-124.
  • Suchanicz, J., Kusz, J., Böhm, H., Duda, H., Mercurio, J.P., Konieczny, K., 2003. Structural and dielectric properties of (Na0.5Bi0.5)0.70Ba0.30TiO3 ceramics. J. Eur. Ceram. Soc., 23, 1559-1564.
  • Yılmaz, H., Mckinstry, S.T., Messing, G.L., (2003). (Reactive) Templated Grain Growth of Textured Sodium Bismuth Titanate (Na1/2Bi1/2TiO3-BaTiO3) Ceramics—II Dielectric and Piezoelectric Properties. Journal of Electroceramics, 11, 217-226.
  • Zhang, S., Kounga, A.B., Aulbach, E., Jo, W., Granzow, T., Ehrenberg , H., Rödel, J., 2008 Lead-free piezoceramics with giant strain in the system Bi0.5Na0.5TiO3–BaTiO3–K0.5Na0.5NbO3. Temperature dependent properties. J.Appl. Phys., 103, 0.3410817. II.
  • Zhou, J., Peng, W.W., Zhang, D., Yang, X.Y., Chen, W., 2008. Polarization properties of Na1/2Bi1/2TiO3 system: First-principles calculation and experiment. Computational Material Science, 44, 67-71.
There are 18 citations in total.

Details

Primary Language Turkish
Journal Section Articles
Authors

Yağız Özeren This is me

Ayşe Berksoy Yavuz This is me

Sedat Alkoy This is me

Ebru Menşur Alkoy This is me

Publication Date December 1, 2014
Submission Date August 8, 2015
Published in Issue Year 2014 Volume: 14 Issue: 3

Cite

APA Özeren, Y., Yavuz, A. B., Alkoy, S., Alkoy, E. M. (2014). Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri ve Empedans Spektroskopi Analizleri. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 14(3), 73-78.
AMA Özeren Y, Yavuz AB, Alkoy S, Alkoy EM. Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri ve Empedans Spektroskopi Analizleri. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. December 2014;14(3):73-78.
Chicago Özeren, Yağız, Ayşe Berksoy Yavuz, Sedat Alkoy, and Ebru Menşur Alkoy. “Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri Ve Empedans Spektroskopi Analizleri”. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 14, no. 3 (December 2014): 73-78.
EndNote Özeren Y, Yavuz AB, Alkoy S, Alkoy EM (December 1, 2014) Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri ve Empedans Spektroskopi Analizleri. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 14 3 73–78.
IEEE Y. Özeren, A. B. Yavuz, S. Alkoy, and E. M. Alkoy, “Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri ve Empedans Spektroskopi Analizleri”, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 14, no. 3, pp. 73–78, 2014.
ISNAD Özeren, Yağız et al. “Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri Ve Empedans Spektroskopi Analizleri”. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 14/3 (December 2014), 73-78.
JAMA Özeren Y, Yavuz AB, Alkoy S, Alkoy EM. Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri ve Empedans Spektroskopi Analizleri. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2014;14:73–78.
MLA Özeren, Yağız et al. “Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri Ve Empedans Spektroskopi Analizleri”. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 14, no. 3, 2014, pp. 73-78.
Vancouver Özeren Y, Yavuz AB, Alkoy S, Alkoy EM. Kurşunsuz Sodyum Bizmut Titanat (NBT) Esaslı Seramiklerin Yapısal, Dielektrik Özellikleri ve Empedans Spektroskopi Analizleri. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2014;14(3):73-8.