Synthesis and properties of domestic boron doped BNT-BT lead-free piezoelectric ceramics

Abstract

In this study, 1 mol% B3+ doped 0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3 (BNT-6BT) ceramics were synthesized by using domestic boron (B2O3) raw material via solid-state reaction. Disc shaped samples were prepared by hydraulic pressing (pre-shaping) and cold isostatic pressing (CIP) after determining the phase formation by using X-ray diffraction (XRD) following a calcination process. Samples were sintered at 1100, 1150 and 1200°C temperatures for 12 hours in air atmosphere after binder burn out process. Prior to structure and property characterization, density measurements of samples were performed by the Archimedes method. Samples were coated with gold (Au) for microstructure investigation via scanning electron microscope (SEM) and electrical measurements. Dielectric (εr, tanδ), piezoelectric (d33) and ferroelectric (P-E hysteresis loop) properties of all domestic boron doped samples prepared in this study were measured and the results were compared with the studies on undoped and commercial B2O3 doped BNT-6BT ceramics in the literature. Overall, the results show that the domestic boron can be used as a property improving dopant in the synthesis of piezoelectric materials.

Keywords

• B2O3
• BNT-BT
• Dielectric material
• Domestic boron
• Lead-free piezoelectric

Project Number

1919B011901467

Yerli bor katkılı BNT-BT kurşunsuz piezoelektrik seramiklerin üretimi ve özellikleri

Abstract

Bu çalışmada, yerli bor (B2O3) hammaddesi kullanılarak katı-hal reaksiyonu ile molce %1 B+3 katkılı 0,94(Bi0,5Na0,5)TiO3-0,06BaTiO3 (BNT-6BT) seramikler üretilmiştir. Kalsinasyon sonrası faz oluşumu X-ışını kırınımı (XRD) ile belirlenen tozlardan hidrolik pres (ön şekillendirme) ve soğuk izostatik presleme (CIP) ile disk şeklinde numuneler hazırlamıştır. Numuneler bağlayıcı giderme işleminin ardından 1100, 1150 ve 1200°C sıcaklıklarda 12 saat süreyle hava ortamında sinterlenmiştir. Yapı ve özelliklerin karakterizasyonundan önce numunelerin yoğunluk ölçümleri Arşimet yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı incelemesi ve elektriksel ölçümler için numuneler altın (Au) kaplanmıştır. Bu çalışmada üretilen numunelerin dielektrik (εr, tanδ), piezoelektrik (d33) ve ferroelektrik (P-E histeresiz döngüsü) özellik ölçümlerinden elde edilen sonuçlar literatürde yer alan katkısız ve ticari B2O3 katkılı BNT-6BT seramikler üzerine yapılmış olan çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar yerli borun piezoelektrik malzemelerin üretiminde özellikleri geliştirici katkı olarak kullanılabilirliğini göstermektedir.

Keywords

• B2O3
• BNT-BT
• Dielektrik malzeme
• Kurşunsuz piezoelektrik
• Yerli bor

Supporting Institution

Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 2209-A programı kapsamında 1919B011901467 başvuru nolu proje ile desteklenmiştir.

Project Number

1919B011901467

Thanks

Ayrıca, yerli B2O3 hammaddesi teminindeki yardımından dolayı Süleyman AKPINAR’a teşekkür ederiz.

References

1. Aksel E., Jones J. L., Advances in lead-free piezoelectric materials for sensors and actuators,3, 1935–1954, 2010.
2. Swain S., Kumar Kar S., Kumar P., Dielectric, optical, piezoelectric and ferroelectric studies of NBT–BT ceramics near MPB,Ceram. Int.,9, 10710–10717, 2015.
3. Takenaka T., Maruyama K., Sakata K., (Bi1/2Na1/2){TiO}3-{BaTiO}3System for Lead-Free Piezoelectric Ceramics,Jpn. J. Appl. Phys.,Part 1, No. 9B, 2236–2239, 1991.
4. Smolenski G. A., Isupov V. A., Agranovskaya A. I., Krainik N. N., New Ferroelectrics of Complex Composition IV,Sov Phys Solid State,2, 2651–2654, 1961.
5. Jaffe H., Piezoelectric Ceramics,J. Am. Ceram. Soc.,11, 494–498, 1958.
6. Okazaki K., Normal Poling and High Poling of Ferroelectric Ceramics and Space-Charge Effects,Jpn. J. Appl. Phys.,Part 1, No. 9B, 4241–4244, 1993.
7. López-Juárez R., González F., Villafuerte-Castrejón M. E., Ferroelectrics - Material Aspects, Lead-Free Ferroelectric Ceramics With Perovskite Structure, InTech, Rijeka, Croatia, 305–330, 2011.
8. Chen K., Zhou J., Zhang F., Zhang X., Li C., An L., Screening sintering aids for (K0.5Na0.5)NbO3 ceramics,J. Am. Ceram. Soc.,6, 1698–1701, 2015.

9. Bharathi P., Varma K. B. R., Effect of the addition of B2O3 on the density, microstructure, dielectric, piezoelectric and ferroelectric properties of K0.5Na0.5NbO3 ceramics,J. Electron. Mater.,2, 493–505, 2014.
10. Ozgul M., Kucuk A., B2O3 doping in 0.94(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.06BaTiO3 lead-free piezoelectric ceramics,Ceram. Int.,16, 19119–19123, 2016.
11. Jarupoom P., Pengpat K., Rujijanagul G., Enhanced piezoelectric properties and lowered sintering temperature of Ba(Zr0.07Ti0.93)O3 by B2O3 addition,Curr. Appl. Phys.,2, 557–560, 2010.
12. Reichmann K., Feteira A., Li M., Bismuth Sodium Titanate based materials for piezoelectric actuators,Materials (Basel).,12, 8467–8495, 2015.
13. Yalçın M. C., BiNaTiO3 ve KNaNbO3 Tabanlı Piezoelektrik Seramiklerde Katkılandırmayla Değişen Sinterleme Koşullarının Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyonkarahisar, 2017.