Convencional and electric field assisted processing (Flash Sintering) of lead-free ceramics based on K0,5Na0,5NbO3: final physical properties

Autor: Zapata, Angélica Maria Mazuera
Přispěvatelé: Zambrano, Michel Venet, M'Peko, Jean Claude
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFSCAR
Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
Popis: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) K0,5Na0,5NbO3 (KNN)-based ceramics are considered promising candidates to replace lead-based piezoelectric ceramics, such as Pb(ZrxTi1−x)O3, which are widely used in electro electronic devices. However, obtaining KNN-based ceramics without secondary phases, abnormal grain growth, or problems with partial volatilization of alkali elements represents the main challenge. Therefore, in this work, a study was proposed to optimize the processing conditions of KNN-based ceramics with composition Li0,04(K0,5Na0,5)0,96Nb0,8Ta0,2O3 (LKNNT), both by the conventional sintering as well as by flash sintering method (AC and DC modes). Into synthesis of LKNNT was identified the K3Li2Nb5O15 composition (KLN) as a secondary phase, which causes porosity and low densification (90,8%). However, alternatives as to the addition of 2 wt% excess Li, increasing of the mixing and milling times (24 h), and the use of starting orthorhombic phase Nb2O5, allowed to obtain ceramics without secondary phase, and high densification (97,5%). The synchrotron light measurements in LNLS as a function of temperature showed a morphotropic phase boundary between the orthorhombic and tetragonal phases at room temperature, with a proportion of 19% and 81%, respectively. An anomaly observed at 450 °C in the dielectric permittivity measurements was related to the KNN core-shell microstructures, produced by partial volatilization processes of the alkali elements, compositional inhomogeneity, and the presence of secondary phases. On the other hand, the mechanical and dielectric measurements showed the orthorhombic to tetragonal (TO−T) and the tetragonal to cubic (TT −C) phase transition temperatures around 100 °C and 325 °C for LKNNT, respectively. Flash sintering experiments were performed with the pellet-shaped specimens at 250 - 512 V/cm of electric field and maximum current density of 3 - 20 mA/mm2. The flash event for both KNN and LKNNT was attained around 870 °C. The Partial volatilization processes of alkali elements were observed in the DC mode, followed by the formation of K6Nb10,88O30 and KLN secondary phases. The secondary phases were produced mainly during the sintering process by the reduction and volatilization of Na, causing low densification in the material. Hence, the use of a DC electric field facilitates the formation of the secondary phase in the positive electrode (anode), and a sodium electrochemical reduction in the negative electrode (cathode). However, the use of an AC electric field allowed to obtain KNN at 870 °C for 90 s, without the presence of any secondary phase and with high relative density (94,5%). In the case of LKNNT, a hard electrochemical reaction between the sample and the platinum electrodes led to the breaking of electrical conductivity and low densification. Therefore, were suggested electrochemical processes between the sample and the platinum electrodes during the sintering process to explain the growth of Na2Pt and Li2Pt layers at 900 °C. This reaction causes the formation of an isolated region into the sample-electrode interface, breaking of the electrical conductivity. As cerâmicas baseadas em K0,5Na0,5NbO3 (KNN) são consideradas candidatas promissoras para substituir cerâmicas piezoelétricas baseadas em chumbo, como o Pb(ZrxTi1−x)O3, que são amplamente utilizadas em aparelhos eletroeletrônicos. Porém, a obtenção de cerâmicas baseadas em KNN sem presença de fase secundária, crescimento anormal de grãos ou problemas de volatilização parcial dos elementos alcalinos representa um grande desafio. Em vista disso, neste trabalho foi proposta a otimização das condições de processamento das cerâmicas baseadas em KNN com composição Li0,04(K0,5Na0,5)0,96Nb0,8Ta0,2O3 (LKNNT), tanto pelo método de sinterização convencional como pelo método de sinterização assistida por campo elétrico flash sintering nos modos AC e DC. Na síntese do LKNNT foi identificada a fase secundária com composição K3Li2Nb5O15 (KLN), que favorece a formação de uma microestrutura porosa e baixa densificação (90,8%). No entanto, alternativas como: a adição de 2% em peso de Li em excesso, incrementar tempos de mistura e moagem (24 h) ou usar o reagente de Nb2O5 com fase ortorrômbica permitiram a eliminação da fase secundária com aumento na densificação (97,5%). Mediante medidas por luz síncrotron no LNLS em função da temperatura foi identificado um contorno de fase morfotrópico entre as fases ortorrômbica e tetragonal na temperatura ambiente, com proporção de 19% e 81% respetivamente. Nas medidas de permissividade dielétrica foi observada uma anomalia atípica em 450 °C, associada à microestrutura do tipo core-shell de KNN, produzida como consequência dos processos de volatilização parcial dos elementos alcalinos e inomogeneidade composicional nas cerâmicas com fase secundária. Por outro lado, a partir das caracterizações dielétricas e mecânicas foram identificadas as transições de fase ortorrômbica para tetragonal (TO−T) em torno de 100 °C e a transição de fase tetragonal para cúbica (TT −C) ao redor de 325 °C para o LKNNT. A sinterização no convencional por flash sintering foi realiza da em amostras com formato cilíndrico, submetidas a campos entre 250 e 512 V/cm com densidade de corrente máxima entre 3 e 20 mA/mm2. O evento flash foi observado em torno de 870 °C para o KNN e o LKNNT. No modo DC foram observados processos de volatilização parcial dos elementos alcalinos, seguido pela formação de fases secundárias de K6Nb10,88O30 e KLN. Esta formação foi consequência da redução e volatilização do Na durante o processo de sinterização, causando uma baixa densificação no material. Desse modo, o uso de um campo elétrico DC facilitou a formação da fase secundária no eletrodo positivo (ânodo), e uma redução eletroquímica do Na no eletrodo negativo (cátodo). No entanto, o uso de um campo AC permitiu a sinterização do KNN a 870 °C durante 90 s, sem presença de fase secundária com alta densificação (94,5%). No caso do LKNNT, uma forte reação eletroquímica entre o material e os eletrodos de platina levou à perda de condutividade elétrica do sistema e baixa densificação. Deste modo, foram sugeridos processos eletroquímicos que favorecem a produção do Na2Pt e Li2Pt em torno de 900 °C. Esta reação leva à formação de uma região isolante na interface amostra-eletrodo, interrompendo o processo de sinterização. CAPES: Código de Financiamento 001 FAPESP: 2012/08457-7 FAPESP: 2013/00134-7
Databáze: OpenAIRE
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