Effect of tin (IV) modification on lead zirconate titanate piezoelectric ceramics

Abstract

The effect of tin (IV) modification on the properties of lead zirconate titanate (PZT) piezoelectric ceramics were studied. The material were prepared by solid state reaction of oxide powders. Characterization and physical properties including piezoelectric properties were investigated. The first part of this thesis involved the investigation of optimum sintering condition of PZT(65:35). The structure of calcined powder and sintered body were rhombohedral. Besides, it was found that the microstructure of PZT sintered at 500 degree C for 1 hr followed by 1200 degree C for 1 hr had less holes and pores than other sintering conditions. In the second part, the determination of optimum calcining condition of PZT(65:35) was similarly investigated. It was found that the structure of PZT (65:35) was still in rhombohedral form, and that the physical, electrical and piezoelectric properties of PZT calcined at different conditions were affected only slightly. The appropriate calcining condition was 800 degree C for 2 hr. In the last part, the effect of tin (IV) modification on PZT(52:48) and PZT(65:35) was studied. Determination of optimum calcining temperature of tin-doped PZT(52:48) was still necessary. The structure of PZT(52:48) shifted from tetragonal phase toward the rhombohedral phase with increasing SnO(,2) content. Dielectric and piezoelectric properties of PZT(52:48) were improved upon addition of 1.0 mol% SnO(,2). However, the addition of SnO(,2) content did not affect the dielectric and piezoelectric properties except d(,33) value of the PZT (65:35). These values of PZT(65:35) were lower than those of PZT(52:48) system both before and after SnO(,2) modification.

งานวิจัยนี้ศึกษาผลของการเติมดีบุก (IV) ที่มีต่อ สมบัติดีโซอิเล็กตริกของสารเลดเซอร์โคเนตไททาเนตเซรามิกส์ (Lead Zirconate Titanate ใช้อักษรย่อ PZT) ซึ่งเตรียม โดยวิธีผสมสารประกอบออกไซด์ ในส่วนแรกของงานวิจัยนี้เป็นการศึกษาเพื่อหาภาวะ ที่เหมาะสมในการเผาซินเตอร์ของสาร PZT ที่มีอัตราส่วน ของ เซอร์โคเนียม ต่อ ไททาเนียม เท่ากับ 65 ต่อ 35 (PZT(65:35)) และได้ศึกษาโครงสร้างและสมบัติทางกายภาพ บางประการ ได้แก่ความหนาแน่น ขนาดของเกรน (grain size) และโครงสร้างจุลภาคโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน พบว่า สาร PZT(65:35) มีโครงสร้างเป็นรอมโบฮีดรอน นอกจากนี้ ยังพบว่าสารที่ผ่านการเผาซินเตอร์ที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ตามด้วย 1200 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จะมีโครงสร้างจุลภาคที่ดูแน่นกว่า มีรูและโพรง น้อยกว่าการเผาซินเตอร์ที่ภาวะอื่น ในส่วนที่สองเป็นการศึกษาเพื่อหาภาวะที่เหมาะสมในการ เผาแคลไซน์ของสาร PZT(65:35) จากผลการศึกษาพบว่า โครงสร้างของสารยังคงเป็นรอมโบฮีดรอน และสมบัติทางกายภาพ รวมทั้งสมบัติทางไฟฟ้า และสมบัติพีโซอิเล็กตริกของสารตัวอย่าง ที่เผาแคลไซน์ที่อุณหภูมิต่างๆ มีค่าแตกต่างกันไม่มาก สรุปภาวะ ที่เหมาะสมในการแคลไซน์คือ อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ในส่วนสุดท้ายเป็นการศึกษาผลการเติมดีบุก (IV) ลงใน สาร PZT ที่มีอัตราส่วนโดยโมล ของ เซอร์โคเนียม ต่อ ไททาเนียม เท่ากับ 52 ต่อ 48 (PZT(52:48)) และ 65 ต่อ 35 (PZT(65:35)) ในการเตรียมสารจำเป็นต้องศึกษาอุณหภูมิที่เหมาะสมในการเผา แคลไซน์สาร PZT(52:48) ที่เติมดีบุก (IV) จากผลการศึกษา พบว่า โครงสร้างของสาร PZT(52:48) จะเปลี่ยนจากเตตระโกนอล ไปเป็นรอมโบฮีดรอน เมื่อปริมาณดีบุก (IV) เพิ่มขึ้น สมบัติทาง ไฟฟ้าและสมบัติพีโซอิเล็กตริกของสาร PZT(52:48) มีค่าดีขึ้น เล็กน้อยเมื่อเติมดีบุก (IV) 1.0 โมลเปอร์เซ็นต์ ส่วน PZT (65:35) พบว่าค่าทางไฟฟ้า และสมบัติพีโซอิเล็กตริกของสาร ไม่เปลี่ยนแปลง ยกเว้นค่า d(,33) ที่มีค่าสูงขึ้นเมื่อปริมาณ ดีบุก (IV) เพิ่มขึ้น ค่าทางไฟฟ้าข้างต้นใน PZT(65:35) ต่ำกว่าใน PZT(52:48) ไม่ว่าก่อนหรือหลังการเติมดีบุก