การก่อเกิดเฟส โครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางไฟฟ้าของเซรามิก SBNLT ที่เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้แบบสถานะของแข็ง

Abstract

Lead-free (Sr0.3Bi0.35Na0.335Li0.015)TiO3 (SBNLT) ceramic was prepared by the solid-sate combustion method using glycine as fuel. The sample was calcined and sintered at the temperatures range of 700 to 900 oC and 1100 to 1200 oC, respectively. The SBNLT powder with no secondary phase was found at calcination temperatures between 750 to 900 oC. Its average particles size was in range of 0.35 to 0.7 µm. The crystalline structure result of the SBNLT ceramics exhibited coexistence of perovskite structural phases between rhombohedral and tetragonal. The morphotropic phase boundary (MPB) with ratio of 49:51 was found at sintering temperature of 1175 oC, confirmed by Rietveld refinement method. When the sintering temperature was increased from 1100 to 1175 oC, its average grain size tended to increase continuously in the range of 0.84 to 2.01 µm. The highest density of the ceramics (5.48 g/cm3) was found at 1175 oC sintering temperature. All the SBNLT ceramics exhibited a relaxor-ferroelectric behavior. The highest dielectric, ferroelectric and energy-storage properties were obtained at 1175 oC sintering temperature, corresponding to its structural phase ratio, density and microstructure.

In case of the SBNLT ceramics substituted for the amount of La from 0.00 to 0.05 mol%, they were prepared via the solid-state combustion technique. The ceramics were calcined and sintered at the temperatures of 750 oC for 2 h and 1175 oC for 2 h, respectively. The powders exhibited secondary phase of La2O3 with the substitution of La from 0.01 to 0.05 mol%, and perovskite percentage continuously decreased when La increased. The average particles size of the powder was in range of 0.40 to 0.45 µm. All the SBNLT-La ceramics showed pure perovskite phase structures of coexistence between rhombohedral and tetragonal. When the amount of La increased, the grain size and density of the ceramics tended to decrease in the range of 0.86 to 2.43 µm and 5.29 to 5.48 g/cm3, respectively. All the ceramics exhibited a relaxor-ferroelectric behavior. Its dielectric properties were continuously decrease when La decreased from 0.00 to 0.05 mol%, which resulted from a decrease of rhombohedral phase ratio and grain size. The ceramic with substitution of 0.02 mol% La, showed the highest of energy-storage properties (Wtotal=0.781 J/cm3, Wrec=0.624 J/cm3, Wloss=0.157 J/cm3 and η=87.1%, measuring at 60 kV/cm applied electric field), which was suitable to apply an energy-storage device.

Finally, the SBNLT ceramics substituted for 0.00 to 0.05 mol% ZrO2, were fabricated by the solid-state combustion method, using calcination temperature of 750 oC for 2 h and sintering temperature of 1175 oC for 2 h. The powders showed secondary phase of ZrO2 at the amount of 0.02 to 0.05 mol% Zr substitution. When Zr increased from 0.00 to 0.05 mol%, the average particles size tended to decrease in the range of 0.38 to 0.45 µm. The SBNLT-Zr ceramics exhibited pure perovskite phase structure, coexisting between rhombohedral and tetragonal. Its average grains size tended to consciously decrease from 2.01 to 1.72 µm, when the amount of Zr substitution was increased from 0.00 to 0.05 mol%. The highest density of 5.5 g/cm3 was obtained at composition of 0.02 mol% Zr substitution. All the ceramics showed relaxor-ferroelectric behavior. Dielectric properties of the ceramics tended to consciously decrease with increase of the Zr substitution from 0.00 to 0.05 mol%. Meanwhile, the highest ferroelectric and energy-storage properties were obtained at composition of 0.02 mol% Zr substitution (Pmax=29.18 µC/cm2, Wtotal=0.851 J/cm3, Wrec=0.609 J/cm3, Wloss=0.242 J/cm3 and η=71.56%, respectively, measuring at 60 kV/cm applied electric field), corresponding to its density and microstructure.

เตรียมเซรามิกปราศจากตะกั่ว (Sr0.3Bi0.35Na0.335Li0.015)TiO3 (SBNLT) ด้วยวิธีการเผาไหม้แบบสถานะของแข็ง โดยใช้ไกลซีนเป็นเชื้อเพลิง แคลไซน์ และซินเตอร์ในช่วงอุณหภูมิ 700 ถึง 900 oC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง และ 1100 ถึง 1200 oC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ตามลำดับ ผงผลึก SBNLT บริสุทธิ์ (ไม่พบเฟสแปลกปลอม) พบที่อุณหภูมิแคลไซน์ในช่วง 750 ถึง 900 oC ขนาดอนุภาคเฉลี่ยอยู่ในช่วง 0.35 ถึง 0.7 µm ผลการวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของเซรามิก SBNLT แสดงโครงสร้างผลึก เพอรอฟสไกต์แบบผสมระหว่างรอมโบฮีดรัล และเททระโกนัลในทุกตัวอย่าง โดยพบบริเวณรอยต่อของโครงสร้างผลึก (morphotropic phase boundary, MPB) ในอัตราส่วน 49:51 ที่อุณหภูมิ ซินเตอร์ 1175 oC ยืนยันด้วยการปรับแต่งเรียทเวลด์ เมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มขึ้นจาก 1100 เป็น 1175 oC พบว่าขนาดเกรนมีแนวโน้มใหญ่ขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งมีขนาดเกรนเฉลี่ยนอยู่ในช่วง 0.84 ถึง 2.01 µm พบความหนาแน่นของเซรามิกสูงสุด (5.48 g/cm3) ที่อุณหภูมิซินเตอร์ 1175 oC เมื่อวัดสมบัติทางไฟฟ้าพบว่าเซรามิก SBNLT แสดงพฤติกรรมรีแลกเซอร์-เฟรโรอิเล็กทริกในทุกตัวอย่าง สมบัติ ไดอิเล็กทริก สมบัติเฟร์โรอิเล็กทริก และสมบัติการกักเก็บพลังงานสูงสุด พบที่อุณหภูมิซินเตอร์ 1175 oC โดยสอดคล้องกับผลของอัตราส่วนโครงสร้างเฟส ความหนาแน่น และโครงสร้างจุลภาคของเซรามิก

ในกรณีของเซรามิก SBNLT เจือแบบแทนที่ด้วย La ในปริมาณ 0.00 ถึง 0.05 mol% เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้แบบสถานะของแข็ง แคลไซน์ และซินเตอร์ที่อุณหภูมิ 750 และ 1175 oC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ผงผลึกแสดงเฟสแปลกปลอมของ La2O3 เมื่อเจือ La ในปริมาณ 0.01 ถึง 0.05 mol% โดยร้อยละความบริสุทธิ์เพอรอฟสไกต์ลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อปริมาณ La เพิ่มขึ้น ขนาดอนุภาคเฉลี่ยของผงผลึกอยู่ในช่วง 0.40-0.45 µm เซรามิก SBNLT-La แสดงโครงสร้างผลึก เพอรอฟสไกต์บริสุทธิ์ (ปราศจากเฟสแปลกปลอม) แบบผสมระหว่างรอมโบฮีดรัล และเททระโกนัลในทุกตัวอย่าง เมื่อปริมาณการเจือ La เพิ่มขึ้น พบว่าขนาดเกรน และความหนาแน่นมีแนวโน้มลดลงอย่างต่อเนื่องอยู่ในช่วง 0.86 ถึง 2.43 µm และ 5.29 ถึง 5.48 g/cm3 ตามลำดับ เมื่อวิเคราะห์สมบัติทางไฟฟ้า พบว่าเซรามิกแสดงพฤติกรรมรีแลกเซอร์-เฟร์โรอิเล็กทริกในทุกตัวอย่าง สมบัติไดอิเล็กทริก และสมบัติเฟร์โรอิเล็กทริกลดลงอย่างต่อเนื่อง เมื่อปริมาณการเจือ La เพิ่มขึ้น (ตั้งแต่ 0.00 ถึง 0.05 mol%) ซึ่งเกิดจากอิทธิพลการลดลงของโครงสร้างเฟสรอมโบฮีดรัล และขนาดเกรนของเซรามิก ขณะที่ปริมาณการเจือ La ที่ 0.02 mol% เซรามิกแสดงสมบัติการกักเก็บพลังงานสูงสุดเหมาะสมต่อการประยุกต์ใช้เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานอย่างมาก โดยมี Wtotal=0.781 J/cm3, Wrec=0.624 J/cm3, Wloss=0.157 J/cm3 และ η=87.1% ที่สนามไฟฟ้า 60 kV/cm

สุดท้ายเซรามิก SBNLT ที่เจือแบบแทนที่ด้วย ZrO2 ในปริมาณ 0.00 ถึง 0.05 mol% เตรียมวิธีการเผาไหม้แบบปฎิกิริยาสถานะของแข็ง แคลไซน์ที่อุณหภูมิ 750 เป็นเวลา 2 ชั่วโมง และซินเตอร์ที่อุณหภูมิ 1175 oC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ผงผลึกแสดงเฟสแปลกปลอมของ ZrO2 เมื่อมีการเจือ Zr ในปริมาณ 0.02 ถึง 0.05 mol% โดยปริมาณการเจือ Zr ที่เพิ่มขึ้น (ตั้งแต่ 0.00 ถึง 0.05 mol%) ส่งผลให้ขนาดอนุภาคเฉลี่ยของผงผลึก SBNLT-Zr มีแนวโน้มลดลงอย่างต่อเนื่องอยู่ในช่วง 0.38 ถึง 0.45 µm การวิเคราะห์โครงสร้างผลึกของเซรามิก SBNLT-Zr พบว่าเซรามิกแสดงโครงสร้างผลึกเพอรอฟสไกต์แบบผสมระหว่างรอมโบฮีดรัล และเททระโกนัล โดยปราศจากเฟสแปลกปลอมในทุกตัวอย่าง ขนาดเกรนเฉลี่ยของเซรามิกมีแนวโน้มลดลงอย่างต่อเนื่องจาก 2.01 เป็น 1.72 µm เมื่อปริมาณการเจือ Zr เพิ่มขึ้นจาก 0.00 เป็น 0.05 mol% ขณะที่ความหนาแน่นสูงสุด (5.50 g/cm3) พบที่ปริมาณการเจือ Zr อยู่ที่ 0.02 mol% เมื่อวิเคราะห์สมบัติทางไฟฟ้า พบว่าเซรามิกแสดงพฤติกรรมรีแลกเซอร์-เฟร์โรอิเล็กทริกในทุกตัวอย่าง เมื่อปริมาณการเจือ Zr เพิ่มขึ้นจาก 0.00 ถึง 0.05 mol% พบว่าเซรามิกแสดงสมบัติไดอิเล็กทริกลดลงอย่างต่อเนื่อง ขณะที่สมบัติสมบัติ เฟร์โรอิเล็กทริก และสมบัติการกักเก็บสูงสุด พบที่ปริมาณการเจือ Zr อยู่ที่ 0.02 mol% โดย แสดง Pmax=29.18 µC/cm2, Wtotal=0.851 J/cm3, Wrec=0.609 J/cm3, Wloss=0.242 J/cm3 และ η=71.56% ตามลำดับที่สนามไฟฟ้า 60 kV/cm ซึ่งสอดคล้องกับความหนาแน่น และโครงสร้างจุลภาคของเซรามิก