Iranian Journal of Ceramic Science & Engineering

fa پیشنهاد روشی برای افزایش دانسیتۀ سرامیک پیزوالکتریک KNN A proposed approach for improving the density of KNN piezoelectric ceramics سراميک‌هاي الكتریكي، نوري و مغناطيسي Electrical, Optical and Magnetic Ceramics پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">در این پژوهش چگونگی بهبود دانسیتۀ سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب نایوبات پتاسیم-سدیم با فرمولاسیون (K0.50Na0.50)NbO3، به صورت خلاصه KNN، به عنوان ترکیب جایگزین پیزوسرامیک‌های پایه‌سربی مورد بررسی قرار گرفته است. پودر دو بار کلسینه‌شده در دمای °C625 بدون استفاده از هیچ بایندر یا مادۀ آلی پرس شد. در رژیم حرارتی زینتر، یک مرحلۀ پیش‌‌گرم‌کردن به مدت دو ساعت در دمای °C200 در تمام سری نمونه‌ها در نظر گرفته شد و تأثیر پنج ساعت پیش‌حرارت‌دهی در هر یک از دماهای 400، 600 و یا °C800 (به طور مجزا) بر دانسیتۀ نمونه‌ها در شرایط بهینۀ زینتر (°C1100-دو ساعت) ارزیابی شد. نتایج دانسیتۀ بالک (ارشمیدس) سرامیک‌های زینترشده در دماهای مختلف پیش‌حرارت‌دهی نشان می‌دهد در حالی که دانسیتۀ سرامیک‌های زینترشده تنها با استفاده از مرحلۀ پیش‌‌گرم‌کردن و بدون استفاده از مرحلۀ پیش‌‌حرارت‌دهی به 1/0 ± 2/92 % دانسیتۀ تئوری فاز KNN رسیده است، دانسیتۀ نمونه‌های زینترشده با در نظر گرفتن مرحلۀ پیش‌‌گرم‌‌کردن و نیز استفاده از یک مرحلۀ پیش‌حرارت‌دهی در دماهـای 400، 600 و °C800 به ترتیب به 2/0 ± 0/95 %، 1/0 ± 3/95 % و 2/0 ± 6/95 % رسیده است. اندازه‌گیری دانسیتۀ بالک به روش اندازه‌گیری ابعـادی حجم نمونه‌ها نیز روند افزایشی مشابهی را نشان می‌دهد. همچنین، ثابت دی‌الکتریک نسبی (rε) نمونۀ با بالاترین دانسیته در سه دمای محیط، °C110 و دمای کوری در فرکانس kHz100 به ترتیب برابر 351، 473 و 5276 و فاکتور اتلاف دی‌الکتریک (tanδ) در سه دمای فوق به ترتیب برابر 043/0، 031/0، و 013/0 اندازه‌گیری شد. نتیجه این پژوهش نشان می‌دهد  با اعمال یک مرحلۀ پیش‌حرارت‌دهی به مدت 5 ساعت در دمای °C800 در منحنی زینتر سرامیک پیزوالکتریک نایوبات پتاسیم-سدیم می‌توان دانسیتۀ نمونه‌های زینترشده را به خوبی تا 3 % بهبود بخشید. این افزایش سه درصدی در مقدار دانسیتۀ سرامیک KNN خالص بدون افزودنی از آن جهت اهمیت دارد که بدون استفاده از هیچ کمک زینتری یا استفاده از روش‌های خاص زینتر نظیر HP، SPS یا زینتر دو مرحله‌ای به دست آمده است. افزون بر این، در این مقاله دو مکانیزم مؤثر بر بهبود دانسیتۀ سرامیک KNN مورد بحث قرار گرفته است. این الگوی زینتر به عنوان یک رژیم حرارتی پیشنهادی برای زینتر فاز KNN معرفی می‌شود. </div> <div style="text-align: justify;">In this study, the improvement of the density of lead-free potassium–sodium niobate piezoelectric ceramics with the composition (K0.50Na0.50)NbO3, abbreviated as KNN, has been investigated as an alternative to conventional lead-based piezoceramics. The powder, calcined twice at 625 °C, was pressed without the use of any binder or organic additive. In the sintering thermal profile, an initial adsorbed water-removal step of two hours at 200 °C was included for all sample series, and the effect of an additional five-hour pre-heating treatment at 400 °C, 600 °C, or 800 °C (individually) on the sample density under optimal sintering conditions (1100 °C for two hours) was evaluated. Bulk density measurements (Archimedes method) of sintered ceramics at different pre-heating temperatures show that, while the density of samples sintered only with the initial adsorbed water-removal step (without additional pre-heating treatment) reached 92.2 ± 0.1 % of the theoretical KNN density, the relative densities of samples pre-heated at 400 °C, 600 °C, and 800 °C reached separately 95.0 ± 0.2 %, 95.3 ± 0.1 %, and 95.6 ± 0.2 %, respectively. The density values obtained from dimensional volume measurements exhibited a similar increasing trend. The relative dielectric constant (εᵣ) of the sample with the highest density was measured to be 351, 473, and 5276 at room temperature, 110 °C, and the Curie temperature, respectively, while the dielectric loss factor (tan δ) at the same temperatures was 0.043, 0.031, and 0.013, respectively, all measured at a frequency of 100 kHz. The results indicate that introducing a five-hour pre-heating step at 800 °C in the sintering profile of potassium–sodium niobate piezoelectric ceramics can effectively enhance the sintered density by approximately 3 %. This three-percent increase in the density of pure, additive-free KNN is particularly significant since it was achieved without any sintering aids or advanced sintering techniques such as HP, SPS, or two-step sintering. Moreover, two mechanisms responsible for this improvement in KNN density are discussed, and the presented sintering profile is proposed as a recommended thermal regime for the sintering of KNN ceramics.</div> سرامیک پیزوالکتریک, نایوبات پتاسیم-سدیم, سنتز و زینتر حالت جامد, دانسیتۀ بالک, خواص دی‌الکتریک Piezoelectric ceramics, Potassium sodium niobate, Solid-state synthesis and sintering, Bulk density, Dielectric properties 59 75 http://ijcse.ir/browse.php?a_code=A-10-471-2&slc_lang=fa&sid=1 Mahdi Feizpour مهدی فیض پور feizpour@gmail.com 10031947532846005395 10031947532846005395 Yes Meybod University دانشگاه میبد Hadi Barzegar Bafrooei هادی برزگر بفروئی hadi.merc@gmail.com 10031947532846005396 10031947532846005396 No Meybod University دانشگاه میبد