چرا دستیابی به دانسیته بالا در سرامیک پیزوالکتریک KNN دشوار است؟

سرامیک پیزوالکتریک نایوبات پتاسیم سدیم (K,Na)NbO۳ با نام اختصاری KNN یکی از مهمترین خانواده از ترکیبات پیزوالکتریک بدون سرب برای جایگزینی پیزوالکتریکهای پایهسربی نظیر خانواده ترکیبات Pb(Zr,Ti)O۳ است. پژوهشگرانی که در مورد KNN تحقیق میکنند، به ندرت دانسیته سرامیک زینترشده از این ترکیب را بالای % ۹۴ دانسیته تئوری گزارش کردهاند. هدف از این پژوهش بازکردن دریچهای به سوی یافتن علت این موضوع است. مخلوط مواد اولیه KNN در دماهای مختلف در بازه دمایی ۴۰۰œC؛۱۰۰۰ کلسینه شد. با استفاده از واکنشهای محتملی که در این سیستم امکان وقوع دارد، پیشنهاد شد در حین فرآیند سنتز حالت جامد KNN، لایهای از ترکیبات کربناتی K۲CO۳ و Na۲CO۳ روی سطح پودر KNN تشکیل میشود. حداقل دمای ذوب هم ارز در سیستم دوتایی K۲CO۳ Na۲CO۳ برابر ۷۱۰œC است و دمای ذوب مابقی ترکیبات، تا ۸۵۸œC برای Na۲CO۳ خالص و تا ۹۰۱œC برای K۲CO۳ خالص است. همچنین، احتمال تشکیل ترکیباتی نظیر KOH و NaOH نیز در این سیستم در اثر واکنش پودر KNN با رطوبت هوا یا عامل H۲O وجود دارد. حداکثر دمای ذوب این ترکیبات نیز ۴۰۶œC است. بنابراین، به نظر میرسد حضور این لایه های کربناتی/هیدروکسیدی بسیار نازک بر روی سطح پودر KNN و ذوب سطحی آنها در دماهایی زیر ۱۰۰۰œC، سبب درشت شدن اندازه ذرات پودر KNN درست قبل از شروع فرآیند زینتر میشود. به بیان دیگر هر چه پودر KNN ریزدانهتر باشد، به دلیل سطح ویژه بالاتر، لایه های سطحی کربناتی بیشتری روی سطح آن تشکیل میشود و عملا به هم چسبیدن ذرات پودر KNN قبل از زینتر تشدید میشود. بنابراین، صرفنظر از اندازه اولیه ذرات KNN، در حین انجام فرآیند زینتر همواره با پودری درشت دانه مواجه هستیم. بنابراین، در کل نمیتوان زینترپذیری خوبی از پودرهای KNN خالص انتظار داشت و این امر تحت شرایط متعارف زینتر، اجتنابناپذیر است.

Keywords:

KNN , نایوبات پتاسیم سدیم , سنتز , زینتر.