ผลของปริมาณ La3+, CaZrO3 และ Ba(Sn0.7Nb0.24)O3 ที่มีต่อสมบัติทางไฟฟ้าและการกักเก็บพลังงานของเซรามิก (Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3 ที่เตรียมด้วยเทคนิคการเผาไหม้สถานะของแข็ง

Abstract

This work was divided into 3 parts. The first part investigated the effect of La3+ substitution on phase structure, microstructure, electric properties and energy storage properties of (Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3 ceramics. The appropriate amount was then investigated in the second part with CaZrO3 substitutes and third part with Ba(Sn0.7Nb0.24)O3 substitutes prepared via the solid-state combustion technique with calcination temperature of 750oC for 2h and sintering temperature of 1150oC for 2h.

It was found that the BNBT ceramics with La3+ substitution of 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05 and 0.06 mol% showed a pure perovskite phase for all samples. The average particle size increased from 298 to 379 nm with increasing La3+. All ceramics showed coexisting rhombohedral and tetragonal phases. When La3+ rose, the content of the tetragonal phase increased, as validated by the Rietveld refinement method. The average grain size decreased from 1.43 to 0.81 μm when La3+ increased from 0 to 0.05 and then started to increase. The Curie temperature (Td) of the samples shifted to lower temperatures with rising La3+, owing to an increased tetragonal phase. The maximum dielectric constant (εm), remanent polarization (Pr) and coercive field (Ec) decreased with increasing La3+. The BNBT-0.05La ceramic exhibited the smallest grain size, and lowest Pr = 0.8 μC/cm2 and Ec = 2.9 kV/cm, with the highest energy storage efficiency (η ~ 78.31%) and a large effective energy storage density (W ~ 0.83 J/cm3) measured in an electric field of 80 kV/cm.

The BNBLT ceramic with CaZrO3 substitution of 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 and 0.05 mol% shows the coexisting rhombohedral and tetragonal phases. The average grain size decreased from 1.12 to 0.76 μm when CaZrO3 increased from 0 to 0.05. The measured density was in the range of 5.45-5.67 g/cm3. The maximum dielectric constant (εm), remanent polarization (Pr) and coercive field (Ec) decreased with increasing CaZrO3. At CaZrO3 of 0.03, ceramic exhibited the maximum energy-storage efficiency (η) of 80.3% and high energy-storage density (W) of 0.92 J/cm3 under the electric field of 100 kV/cm.

The BNBLT ceramic with Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 substitution of 0, 0.01, 0.02, 0.03 and 0.04 mol% shows the coexisting of rhombohedral (R), tetragonal (T) phases and cubic (C) phase. The average grain size decreased from 1.14 to 0.89 μm when x increased to 0.03 and then increased to 0.96 mm. The measured density and maximum dielectric constant (εm) tended to increase from 5.44 to 5.87 g/cm3 and 1800 to 1942 when Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 increased to 0.03, then decreased to 5.25 g/cm3 and 1501, respectively. The remanent polarization (Pr) and coercive field (Ec) decreased when Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 increased to 0.03. At Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 of 0.03, The ceramic exhibited the lowest energy loss density (Wloss~ 0.10 J/cm3) and the highest energy-storage efficiency (η ~ 77.3%) measured under an electric field of 70 kV/cm.

งานวิจัยนี้ได้แบ่งออกเป็น 3 ส่วน โดยส่วนแรกคือการศึกษาปริมาณการแทนที่ด้วย La3+ ที่มีต่อโครงสร้างเฟส โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติการกักเก็บพลังงานของเซรามิก (Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06TiO3 (BNBT) จากนั้นนำปริมาณที่เหมาะสมมาศึกษาในส่วนที่สองคือการแทนที่ด้วย CaZrO3 และส่วนที่สามคือการแทนที่ด้วย Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 ที่เตรียมด้วยเทคนิคการเผาไหม้สถานะของแข็งโดยใช้อุณหภูมิแคลไซน์ 750oC เป็นเวลา 2 ชั่วโมงและซินเตอร์ 1150oC เป็นเวลา 2 ชั่วโมง

พบว่าเซรามิก BNBT ที่แทนที่ด้วย La3+ ที่ปริมาณ 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05 และ 0.06 โมล% แบบรูปการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์ (XRD) ของผงผลึกแสดงเฟสเพอรอฟสไกต์บริสุทธิ์ในตัวอย่าง ขนาดอนุภาคเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 298 เป็น 379 นาโนเมตร เมื่อปริมาณ La3+ เพิ่มขึ้น เซรามิกทุกตัวอย่างแสดงเฟสร่วมระหว่างเฟสโรมโบฮีดรัลและเททระโกนัล เมื่อปริมาณ La3+ เพิ่มขึ้นพบว่าปริมาณของเฟสเททระโกนัลเพิ่มขึ้นตามซึ่งตรวจสอบโดยวิธีการปรับแต่งเรียทเวลด์ ขนาดเกรนเฉลี่ยลดลงจาก 1.43 เป็น 0.81 μm เมื่อ La3+ เพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น 0.05 อุณหภูมิคูรี (Td) เลื่อนไปที่อุณหภูมิต่ำเนื่องมาจากเฟสเททระโกนัลเพิ่มขึ้น ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงสุด (εm) โพลาไรเซชั่นคงค้าง (Pr) และสนามไฟฟ้าลบล้าง (Ec) ลดลงเมื่อ La3+ เพิ่มขึ้น เซรามิก BNBT - 0.05La (BNBLT) มีขนาดเกรนที่เล็กที่สุด Pr มีค่าต่ำสุด = 0.8 μC/cm2 และ Ec = 2.9 kV/cm ส่งผลให้ประสิทธิภาพการจัดเก็บพลังงานสูง (η ~ 78.31%) และความหนาแน่นในการกักเก็บพลังงานสูง (W ~ 0.83 J/cm3 ) วัดที่สนามไฟฟ้า 80 kV/cm.

เซรามิก BNBLT ที่แทนที่ด้วย CaZrO3 ที่ปริมาณ 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 และ 0.05 โมล% แสดงโครงสร้างเฟสร่วมระหว่างรอมโบฮีดรัลและเททระโกนัล ขนาดเกรนเฉลี่ยลดลงจาก 1.12 เป็น 0.76 μm เมื่อ CaZrO3 เพิ่มขึ้นจาก 0 เป็น 0.05 ความหนาแน่นที่วัดได้อยู่ในช่วง 5.45-5.67 g/cm3 ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงสุด (εm) โพลาไรเซชันคงค้าง (Pr) และสนามบีบบังคับ (Ec) ลดลงเมื่อปริมาณ CaZrO3 เพิ่มขึ้น และที่ CaZrO3 เท่ากับ 0.03 โมล% เซรามิกแสดงประสิทธิภาพการเก็บพลังงานสูงสุด (η) ที่ 80.3% และความหนาแน่นของการเก็บพลังงานสูง (W) ที่ 0.92 J/cm3 ภายใต้สนามไฟฟ้า 100 kV/cm

เซรามิก BNBLT ที่แทนที่ด้วย Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 ที่ปริมาณ 0, 0.01, 0.02, 0.03 และ 0.04 โมล% เซรามิกแสดงโครงสร้างเฟสร่วมระหว่างรอมโบฮีดรัล เททระโกนัลและคิวบิก ขนาดเกรนเฉลี่ยลดลงจาก 1.14 เป็น 0.89 μm เมื่อ Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 เพิ่มขึ้นเป็น 0.03 และจากนั้นมีค่าเพิ่มเล็กน้อยเป็น 0.96 μm ความหนาแน่นที่วัดได้และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงสุด (εm) มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นจาก 5.44 เป็น 5.87 g/cm3 และ 1800 ถึง 1942 เมื่อ Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 เพิ่มขึ้นเป็น 0.03 จากนั้นลดลงเป็น 5.25 g/cm3 และ 1501 ตามลำดับ โพลาไรเซชันคงค้าง (Pr) และสนามบีบบังคับ (Ec) ลดลงเมื่อ Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 เพิ่มขึ้นเป็น 0.03 และพบว่าที่ Ba(Sn0.70Nb0.24)O3 เท่ากับ 0.03 เซรามิกแสดงความหนาแน่นการสูญเสียพลังงานต่ำสุด (Wloss~ 0.10 J/cm3) และประสิทธิภาพการเก็บพลังงานสูงสุด (η ~ 77.3%) ภายใต้สนามไฟฟ้า 70 kV/cm