โครงสร้างเฟส โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของมัลติเฟร์โรอิกคอมโพสิต BCT-NZF ที่เตรียมโดยวิธีการเผาไหม้สถานะของแข็ง

Abstract

This research studied the effects of calcination and sintering temperatures on phase structure, microstructure, electrical, and magnetic properties of Ba0.9Ca0.1TiO3 (BCT), Ni0.6Zn0.4Fe2O4 (NZF), and 0.7Ba0.9Ca0.1TiO3-0.3Ni0.6Zn0.4Fe2O4 (BCT-NZF) ceramics prepared by the combustion method using glycine as fuel.

Firstly, the effects of calcination temperature in range of 1050-1200 oC for 2 h and sintering temperature in range of 1325-1400 oC for 2 h on phase formation, microstructure and electrical properties of lead-free Ba0.9Ca0.1TiO3 (BCT) ceramics fabricated via the solid-state combustion technique were investigated. For the X-ray diffraction (XRD) result, all the ceramics exhibited a coexisting phase between tetragonal and orthorhombic. The average grain size tended to increase with increase of the sintering temperature. The optimum sintering temperature of BCT ceramics was obtained at 1375 oC for 2 h, which showed the dielectric constant at Curie temperature (), remanent polarization (Pr), coercive field (Ec) and piezoelectric coefficient (d33) of εC=7393, Pr=7.60 μC/cm2, EC=5.99 kV/cm and d33=158 pC/N, respectively.

Secondly, the effect of firing temperatures on phase formation, microstructure dielectric and magnetic properties of Ni0.6Zn0.4Fe2O4 (NZF) ceramics were investigated. The NZF powder were synthesized by the solid-state combustion technique using glycine as a fuel to reduce the reaction temperature. All samples were calcined in range of 900–1100 ºC for 2 h and sintered in range of 1175–1275 ºC for 2 h. A pure ferrite phase was found in the powders calcined above 1000 ºC and the average particle size of NZF powders was increased from 0.38 µm to 0.58 µm when the calcination temperature was increased. The XRD analysis results confirmed the formation of pure spinel structure with cubic phase in all the ceramic samples. Average grain size (5.54 to 2.80 µm) was slightly decreased, and the dielectric constant (239 to 13) tended to decrease with increasing sintering temperature. As the sintering temperature increased to 1250 ºC, it was found that the lattice parameters (8.366 to 8.387 Å), the density (5.29 to 5.35 g/cm3), and saturation magnetization (Ms) (81.51 to 93.92 emu/g) tended to increase after that decrease.

Finally, the effect of firing temperatures on phase structure, microstructure, electrical and magnetic properties of BCT-NZF multiferroic composite synthesized by solid-state combustion technique were studied. All samples were sintered in range of 1250–1350 ºC for 2 h. For the XRD result, all the ceramics exhibited a coexisting phase between tetragonal perovskite, orthorhombic perovskite and cubic spinel. The average grain size, εr and tanδ at 1 MHz tended to increase from 0.85 to 1.74 µm, 257.4 to 572.3 and 0.05 to 0.24, respectively, with increase of the sintering temperature. Density and Ms increased from 5.36 to 5.45 g/cm3 and 19.36 to 20.38 emu/g, respectively, while remanent magnetization (Mr) and coercivity (Hc) decreased from 0.38 to 0.33 emu/g and 25.03 to 20.17 Oe, respectively, when the sintering temperature was increased from 1250 to 1300 °C. When the sintering temperatures were increased above 1300 °C, the densities and Ms decreased while Mr and Hc increased.

งานวิจัยนี้ศึกษาผลของอุณหภูมิแคลไซน์และอุณหภูมิซินเตอร์ ที่มีต่อโครงสร้างเฟส โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของผงผลึกและเซรามิก Ba0.9Ca0.1TiO3 (BCT), Ni0.6Zn0.4Fe2O4 (NZF) และ 0.7Ba0.9Ca0.1TiO3-0.3Ni0.6Zn0.4Fe2O4 (BCT-NZF) ที่เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้โดยใช้ไกลซีนเป็นเชื้อเพลิง

ส่วนแรกศึกษาผลของอุณหภูมิแคลไซน์ที่อุณหภูมิระหว่าง 1050-1200 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง และอุณหภูมิซินเตอร์ในช่วง 1325-1400 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ที่มีผลต่อโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางไฟฟ้าของผงผลึกและเซรามิกไร้สารตะกั่ว Ba0.9Ca0.1TiO3 (BCT) ที่เตรียมด้วยวิธีการเผาไหม้สถานะของแข็ง ผลจากการวิเคราะห์แบบรูปการณ์เลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction; XRD) เซรามิก BCT แสดงเฟสร่วมระหว่างเททระโกนัลและออร์โธรอมบิก ขนาดเกรนเฉลี่ยเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มขึ้น ซินเตอร์เซรามิก BCT ที่อุณหภูมิ 1375 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง เป็นเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดในการเตรียมเซรามิก BCT เนื่องจากมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิคูรี () โพลาไรเซชันคงค้าง (Remanent polarization; Pr ) สนามไฟฟ้าลบล้าง (Coercive field; Ec) และค่าสัมประสิทธิ์พิโซอิเล็กทริก (d33) สูงที่สุด โดยมีค่าเท่ากับ =7393, Pr =7.60 µC/cm2, Ec =5.99 kV/cm และ 158 pC/N ตามลำดับ

ส่วนที่สองศึกษาผลของอุณหภูมิเผาที่มีผลต่อโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็กของเซรามิก Ni0.6Zn0.4Fe2O4 (NZF) เตรียมผงผลึก NZF ด้วยวิธีการเผาไหม้สถานะของแข็ง โดยใช้ไกลซีนเป็นเชื้อเพลิง แคลไซน์ผงผลึกที่อุณหภูมิ 900-1100 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง และซินเตอร์เซรามิกที่อุณหภูมิ 1175-1275 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง พบว่าผงผลึก NZF ที่แคลไซน์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง มีร้อยละความบริสุทธิ์สูงสุด ขนาดอนุภาคเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจาก 0.33 เป็น 0.59 ไมโครเมตร จากการวิเคราะห์แบบรูป XRD เซรามิก NZF แสดงโครงสร้างแบบคิวบิกสปินเนลบริสุทธิ์ในทุกตัวอย่าง ขนาดเกรนเฉลี่ยมีแนวโน้มลดลงจาก 5.54 เป็น 2.80 ไมโครเมตร และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิห้อง () ลดลงจาก 239 เป็น 13 เมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มสูงขึ้น แลตทิซพารามิเตอร์เพิ่มขึ้นจาก 8.366 เป็น 8.387 ค่าความหนาแน่นเพิ่มขึ้นจาก 5.29 เป็น 5.35 กรัม/ลบ.ซม ค่าแมกนีไตเซชันอิ่มตัว (Ms) เพิ่มขึ้น 81.51 เป็น 93.92 emu/g เมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มขึ้นจนถึง 1250 องศาเซลเซียส หลังจากนั้นค่าต่างๆลดลง

ส่วนสุดท้ายศึกษาผลของอุณหภูมิซินเตอร์ที่มีผลต่อโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติของเซรามิกมัลติเฟร์โรอิกคอมโพสิต BCT-NZF ซินเตอร์เซรามิกที่อุณหภูมิ 1250-1350 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง จากการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ เซรามิก BCT-NZF แสดงเฟสร่วมระหว่างเททระโกนัลเพอรอฟสไกต์ ออร์โธรอมบิกเพอรอฟสไกต์และคิวบิกสปินเนล ขนาดเกรนเฉลี่ย, εr และ ค่าตัวประกอบกรสูญเสียไดอิเล็กทริก (tanδ) ที่ 1 เมกะเฮิร์ต มีค่าเพิ่มขึ้นจาก 0.85 เป็น 1.74 ไมโครเมตร, 257.4 เป็น 572.3 และ 0.05 เป็น 0.24 ตามลำดับ เมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มขึ้นจาก 1250 เป็น 1350 องศาเซลเซียส ค่าความหนาแน่นและ Ms เพิ่มขึ้นจาก 5.36 เป็น 5.45 กรัม/ลบ.ซม และ 19.36 เป็น 20.38 emu/g ตามลำดับ ในขณะที่โพลาไรเซชันคงค้าง (Remanent magnetization ;Mr) และ โคเออซิวิตี (Coercivity; Hc) ลดลงจาก 0.38 เป็น 0.33 emu/g และ 25.03 เป็น 20.17 Oe ตามลำดับ เมื่ออุณหภูมิซินเตอร์เพิ่มขึ้นจาก 1250 เป็น 1300 องศาเซลเซียส แต่เมื่อเพิ่มอุณหภูมิซินเตอร์สูงกว่า 1300 องศาเซลเซียส ค่าความหนาแน่นและ Ms ลดลง ในขณะที่ Mr และ Hc เพิ่มขึ้น