Osiągnięciem autorki niniejszej pracy jest zaprojektowanie i otrzymanie kompozytu ceramiczno-polimerowego o ukierunkowanej mikrostrukturze, co było możliwe dzięki zastosowaniu odpowiedniej ceramiki zsyntezowanej metodą zolowo-żelową, wyborowi właściwego polimeru i optymalizacji procesu otrzymywania kompozytu.
Z proszków Sr0,7Ba0,3Nb2O6 zsyntezowanych metodą zolowo-żelową otrzymano kompozyty Sr0,7Ba0,3Nb2O6/PVDF z 10 obj% (=0,1) i 20 obj% (=0,2) zawartością ceramiki.
Obraz kompozytu Sr0,7Ba0,3Nb2O6/PVDF z 20 obj% (=0,2) zawartością ceramiki uzyskany przy pomocy mikroskopu sił atomowych (NT-MDT Solver P47) przedstawiono na rys. 9.1. Widoczne są na nim ziarna ceramiki ułożone w matrycy polimerowej w sposób ukierunkowany (steksturowany).
Rys. 9.1. Kompozyt Sr0,7Ba0,3Nb2O6/PVDF z 20 obj% (=0,2) zawartością ceramiki.
Przed wykorzystaniem kompozytu ceramiczno-polimerowego do budowy przetwornika zawarta w nim ceramika musi zostać spolaryzowana. W tym celu do
wyprodukowanego kompozytu przykłada się zewnętrzne pole elektryczne. W wyniku tego w ceramice ferroelektrycznej zachodzą złożone i różnorodne procesy, między innymi:
deformują się i przemieszczają powłoki elektronowe poszczególnych jonów;
zmieniają się odległości pomiędzy centrami dodatnich i ujemnych jonów;
zachodzi zmiana orientacji mikroskopowych (polarne molekuły) i makroskopowych (domeny) elektrycznych momentów dipolowych;
zachodzą chemiczne i strukturalne zmiany w całej objętości materiału, a szczególnie w obszarach przyelektrodowych [93].
Niektóre z wymienionych procesów mają charakter odwracalny i nie wywołują trwałych następstw, natomiast inne są nieodwracalne i ich przedłużone działanie przejawia się po upływie bardzo długiego czasu po wyłączeniu zewnętrznego pola elektrycznego.
Nieodwracalne procesy orientacji domen prowadzą do zmiany makroskopowej symetrii ceramiki i pojawienia się w nich właściwości piezo- i piroelektrycznych. Stan spolaryzowania zmniejsza się z czasem, za główną przyczynę starzenia przyjmuje się proces stabilizacji domen ferroelektrycznych [94].
Ziarna ceramiki w otrzymanym kompozycie SBN70-PVDF zostały steksturowane w procesie otrzymywania kompozytu, więc ich ułożenie w przestrzeni nie podlega procesom starzenia, dzięki temu zbudowane z takiego kompozytu przetworniki mogą dłużej zachować swoje właściwości piezo- i piroelektryczne.
Wykonano pomiary względnej przenikalności elektrycznej ε’ otrzymanych kompozytów w funkcji temperatury T i częstotliwości pola pomiarowego f (rys. 9.2).
Dla polimeru PVDF i kompozytów Sr0,7Ba0,3Nb2O6/PVDF wykonano pomiary współczynnika piroelektrycznego p w zakresie temperatur od -170oC do 80oC. Prąd piroelektryczny był mierzony podczas grzania próbek z prędkością β=3 deg/min za pomocą elektrometru Keithley 6517 A. Współczynnik piroelektryczny p został obliczony ze wzoru:
Zależność współczynnika piroelektrycznego p polimeru PVDF i kompozytów Sr0,7Ba0,3Nb2O6/PVDF z 10 obj% (=0,1) i 20 obj% (=0,2) zawartością ceramiki Sr0,7Ba0,3Nb2O6 od temperatury przedstawiono na rys. 9.3.
Rys. 9.2. Względna przenikalność elektryczna ε’ kompozytu SBN70-PVDF z 10 obj% (=0,1) i 20 obj%
(=0,2) zawartością ceramiki Sr0,7Ba0,3Nb2O6,w funkcji temperatury T i częstotliwości pola pomiarowego f [86].
Rys. 9.3. Zależność współczynnika piroelektrycznego p polimeru PVDF i kompozytów SBN70/PVDF z 10 obj%
(=0,1) i 20 obj% (=0,2) zawartością ceramiki Sr0,7Ba0,3Nb2O6 od temperatury [86].
W temperaturze pokojowej współczynnik piroelektryczny p polimeru PVDF wynosi 24 μC/m2K, a dla kompozytu z 20 obj% (=0,2) zawartością ceramiki Sr0,7Ba0,3Nb2O6
40 μC/m2K.
10. Podsumowanie
Detektory piroelektryczne są obecnie szeroko stosowane, a zakres ich zastosowań wciąż się rozszerza. Jednak możliwości zastosowania detektorów piroelektrycznych wykonanych z litej ceramiki są ograniczone głównie przez jej niewielkie wymiary.
Zamiast litej ceramiki do budowy pirodetektorów można użyć kompozytów ceramiczno-polimerowych w których fazą aktywną jest ceramika piroelektryczna.
Wykorzystanie kompozytów pozwala na łatwą produkcję wyrobów o dużych wymiarach i skomplikowanych kształtach. Dodatkowe zalety to między innymi mniejszy koszt produkcji, mniejszy ciężar, mniejsza kruchość. Wszystkie te zalety poszerzają zakres możliwości zastosowania pirodetektorów zbudowanych z kompozytów w porównaniu ze zbudowanymi z litej ceramiki.
W ramach pracy autorka otrzymała proszki ceramiczne do kompozytów ceramiczno-polimerowych, które mogą służyć do budowy przetworników piroelektrycznych.
Skład chemiczny proszków ceramicznych zaprojektowano tak, aby posiadały one wysoki współczynnik piroelektryczny. Przy projektowaniu kierowano się współczesnym stanem badań.
Stosowane obecnie ceramiczne materiały piroelektryczne to głównie zawierająca ołów ceramika typu PZT. Jednym z kierunków badawczych inżynierii materiałowej jest otrzymywanie bezołowiowych materiałów ceramicznych. W ramach pracy otrzymano cztery rodzaje proszków ceramicznych: dwa ołowiowe i dwa bezołowiowe.
Kolejnym kryterium wyboru składu ceramiki była idea zsyntezowania proszków ceramicznych, z których można otrzymać kompozyty o ukierunkowanej mikrostrukturze.
Ukierunkowanie mikrostruktury pozwala na uzyskanie większej odpowiedzi przetworników lub na uzyskanie różnych odpowiedzi w różnych kierunkach. Trzy z otrzymanych proszków ceramicznych posiadały strukturę typu perowskitu (która nie ma tendencji do tworzenia tekstury), a jeden strukturę typu tetragonalnego brązu wolframowego (który może być steksturowany).
Otrzymano:
cyrkonian tytanian ołowiu domieszkowany manganem o wzorze Pb[(Zr0,3Ti0,7)0,97Mn0,03]O3, ołowiowy o strukturze typu perowskitu;
cyrkonian tytanian ołowiu domieszkowany lantanem (Pb0,92La0,08)(Zr0,65Ti0,35)O3, ołowiowy o strukturze typu perowskitu;
roztwór stały tytanianu baru i niobianu sodu o wzorze (Ba0,3Na0,7)(Ti0,3Nb0,7)O3, bezołowiowy o strukturze typu perowskitu;
niobian baru strontu o wzorze Sr3,5Ba1,5Nb10O30 (czyli Sr0,7Ba0,3Nb2O6), bezołowiowy o strukturze typu tetragonalnego brązu wolframowego.
Właściwości fizyczne elektroceramiki zależą nie tylko od jej składu ale i od sposobu otrzymywania. Autorka otrzymała proszki ceramiczne dwiema metodami: tradycyjną przez zmielenie ceramiki zsyntezowanej metodą syntezy w fazie stałej mieszaniny prostych tlenków/węglanów i nowoczesną metodą zolowo-żelową. Metoda syntezy w fazie stałej mieszaniny prostych tlenków/węglanów została wybrana dlatego, że jest metodą najekonomiczniejszą (tanie odczynniki chemiczne) i łatwą do wdrożenia w skali przemysłowej. Niestety metodą tą nie można uzyskać nanometrowych proszków o właściwościach piroelektrycznych. Druga z wybranych przez autorkę metod — metoda zolowo-żelowa jest jednym z podstawowych procesów nanotechnologicznych. Metoda zolowo-żelowa pozwoliła na otrzymanie proszków nanometrowych.
Autorka opracowała technologię zolowo-żelową syntezy proszków:
Pb[(Zr0,3Ti0,7)0,97Mn0,03]O3, (Pb0,92La0,08)(Zr0,65Ti0,35)O3 i Sr0,7Ba0,3Nb2O6. Z powodu trudności w doborze prekursorów i rozpuszczalników, z których możliwe byłoby otrzymanie bezpośrednio roztworu stałego (Ba0,3Na0,7)(Ti0,3Nb0,7)O3 roztwór ten otrzymano w ten sposób, że metodą zolowo-żelową zsyntezowano osobno proszki tytanianu baru BaTiO3 i niobianu sodu NaNbO3, a następnie otrzymano z nich ceramikę (Ba0,3Na0,7)(Ti0,3Nb0,7)O3, którą rozdrobniono na proszek.
Następnym etapem pracy było wytworzenie kompozytów ceramiczno-polimerowych o sposobie łączenia faz 0-3. Otrzymane proszki zastosowano jako fazę aktywną, fazę pasywną stanowiły komercyjne proszki PVC, PVDF lub P(VDF/TeFE). Metodą prasowania na gorąco wykonano kompozyty:
Do otrzymania kompozytów PMZT-PVC, PLZT-P(VDF/TeFE), SBN70-PVC i SBN70-PVDF użyto nanometrowych proszków zsyntezowanych metodą zolowo-żelową.
Ponieważ nie uzyskano nanometrowych proszków BNTN ze względów ekonomicznych
(tańsze odczynniki) do otrzymania kompozytu BNTN-PVC zastosowano proszki uzyskane przez zmielenie ceramiki otrzymanej metodą syntezy w fazie stałej mieszaniny prostych tlenków/węglanów.
Dzięki temu, że wybrane materiały ceramiczne to roztwory stałe poprzez zmianę ich składu można zmieniać temperaturę Curie TC (w przypadku klasycznych ferroelektryków) lub temperaturę Tm (w przypadku ceramiki o właściwościach relaksorowych) projektując w ten sposób ceramikę piroelektryczną do pracy w konkretnej temperaturze.
Najlepsze pod kątem możliwości ich zastosowania do budowy pirodetektorów do pracy w temperaturze pokojowej okazały się kompozyty PLZT-P(VDF/TeFE) oraz SBN70-PVC.
Sukcesem było otrzymanie kompozytów bezołowiowych których współczynnik piroelektryczny przekracza 100 μC/m2K (wyznaczony zmodyfikowaną metodą Chynoweth’a przy częstotliwości modulacji padającego na badaną próbkę promieniowania podczerwonego 1 Hz). Tak wysoki współczynnik piroelektryczny posiadają kompozyty SBN70-PVC z 15 obj% zawartością ceramiki p=160 μC/m2K, i z 20 obj% zawartością ceramiki p=120 μC/m2K.
Optymalna zawartość proszku ceramicznego w kompozytach PLZT-P(VDF/TeFE) oraz SBN70-PVC wynosi 15 obj%. Dla tej zawartości proszku kompozyty posiadają największy współczynnik piroelektryczny. Dzięki małej zawartości ceramiki w kompozycie zachowano elastyczność matrycy polimerowej. Ważne ze względów aplikacyjnych jest także to, że kompozyt z małą zawartością ceramiki jest lżejszy i tańszy niż lita ceramika. To, że wystarczył 15 obj% udział ceramiki w kompozycie zawdzięczamy użyciu proszków nanometrowych. Powstałe, przez modyfikowanie polimerów nanomateriałami materiały nazywane nanokompozytami wykazują interesujące właściwości, już przy kilkuprocentowej zawartości nanododatków ponieważ wpływ dodatków wynika nie tylko z ich właściwości fizykochemicznych, jest także następstwem ich dużej powierzchni właściwej przy jednoczesnych niewielkich wymiarach [46].
Największym osiągnięciem autorki niniejszej pracy było zaprojektowanie i otrzymanie kompozytu ceramiczno-polimerowego o ukierunkowanej mikrostrukturze. Autorka założyła, że ponieważ monokryształy SBN rosną anizotropowo [2], anizotropowo powinny też rosnąć ziarna ceramiki. Ceramika Sr0,7Ba0,3Nb2O6 uzyskana metodą konwencjonalną posiada ziarna o lekko wydłużonym kształcie (rys. 7.2), natomiast ceramika otrzymana z proszków zsyntezowanych metodą zolowo-żelową zgodnie z oczekiwaniami autorki posiada dobrze
wykształcone ziarna o wydłużonym kształcie (rys. 7.6). Z proszków Sr0,7Ba0,3Nb2O6
zsyntezowanych metodą zolowo-żelową otrzymano kompozyty Sr0,7Ba0,3Nb2O6/PVDF.
W kompozytach tych ziarna ceramiki ułożone są w matrycy polimerowej w sposób ukierunkowany (steksturowany).
LITERATURA
[ 1] W. KASZUWARA: Ceramiczne materiały piezoelektryczne. „Inżynieria Materiałowa”
2004, nr 2, s. 65–67.
[ 2] Y. XU: Ferroelectric materials and their applications. Amsterdam–London–New York–
Tokyo, North-Holland, 1991.
[ 3] B. HILCZER, M. POŁOMSKA: Ferroiczne przemiany fazowe. W: Małe monografie Instytutu Fizyki Molekularnej. T. 2: Przemiany fazowe. Red. A. GRAJA,
A. FERCHMIN. Poznań, Ośrodek Wydawnictw Naukowych, 2003.
[ 4] R. PAMPUCH, S. BŁAŻEWICZ, G. GÓRNY: Materiały ceramiczne dla elektroniki.
Kraków, Wydawnictwo AGH, 1993.
[ 5] J. SUCHANICZ: Ferroelektryczność tytanianów. Kraków, Wydawnictwo Naukowe Akademii Pedagogicznej, 2008.
[ 6] Dielektryki ceramiczne i ich zastosowanie. Red. I. SENDERACKA. Warszawa, Wydawnictwa Naukowo–Techniczne, 1967.
[ 7] Л. С. КРЕМЕНЧУГСКИЙ, О. В. РОЙЦИНА: Пироэлектрические приемники излучения. Киев, Наукoвa Думка, 1979.
[ 8] Z. SUROWIAK, V. P. DUDKIEVICH: Cienkie warstwy ferroelektryczne. Katowice, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, 1996.
[ 9] Z. BOJARSKI, M. GIGLA, K. STRÓŻ, M. SUROWIEC: Krystalografia. Podręcznik wspomagany komputerowo. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007.
[10] M. KUPRIYANOV, Z. SUROWIAK: Termodynamiczny opis efektu piezoelektrycznego.
W: Prace Wydziału Techniki. T. 30: Ferroelektryki tlenowo-oktaedryczne. Katowice, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, 1997.
[11] W. WERSING, W. HEYWANG, H. BEIGE, H. THOMANN: The role of ferroelectricity for piezoelectric materials. W: W. HEYWANG, K. LUBITZ, W. WERSING:
Piezoelectricity evolution and future of a technology. Berlin Heidelberg, Springer, 2008.
[12] S. BAUER, S. BAUER-GOGONEA, M. LINDNER, K. SCHRATTBAUE: Piezo-, pyro- and ferroelectric polymers. W: C. GALASSI et al.: Piezoelectrics materials: advanced in science, technology and applications. Dordrecht, Kluwer Academic Publisher, 2000.
[13] A. LOVINGER: Ferroelectric polymer. „Science” 1983, nr 220 (4602), s. 1115–1121.
[14] A. KLOCZKOWSKI, T. SEN: Magnetic, piezoelectrics, and ferrolectric properties of synthetic and biological polymers. W: J. MARK: Physical properties of polymer handbook. New York, Springer, 2007.
[15] V. LEMANOV: Piezo-, pyro-, and ferroelectricity in biological materials.
W: C. GALASSI et al.: Piezoelectrics materials: advanced in science, technology and applications. Dordrecht, Kluwer Academic Publisher, 2000.
[16] S. B. LANG: Sourcebook of pyroelectricity. London, Gordon and Breach Science Publishers, 1974.
[17] B. JAWORSKI, A. DIETŁAF: Kurs fizyki. T. 3: Procesy falowe optyka fizyka atomowa i jądrowa. Warszawa, PWN, 1979.
[18] Norma ISO 20473:2007: Optics and photonics – Spectral band.
[19] A. ŁOZIŃSKI: Detektory podczerwieni. Gdynia, Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdyni, 2009.
[20] P. MURALT: Micromachined infrared detectors based on pyroelectric thin films.
„Reports on Progress in Physics” 2001, nr 64, s. 1339–1388.
[21] S. LANG: Pyroelectricity: from ancient curiosity to modern imaging tool. „Physics Today” 2005, nr 58 (8), s. 31–35.
[22] http://www.glolab.com
[23] T. KARWAT: Termowizja – zasady ogólne, środowisko pomiarowe, budowa kamer, przykłady zastosowania.
Ze strony: http://www.elektro.info.pl/artykul/id2963,termowizja–zasady–ogolne–
srodowisko–pomiarowe–budowa–kamer–przyklady–zastosowania [24] http://www.fuji–piezo.com/prodpyro.htm
[25] Z. SUROWIAK, D. BOCHENEK, D. MACHURA, E. NOGAS-ĆWIKIEL, M. PŁOŃSKA, B. WODECKA-DUŚ: Technologia wytwarzania, właściwości i możliwości aplikacyjne elektroceramiki ferrroelektrycznej. Część I. Synteza ceramicznych proszków ferroelektrycznych. „Materiały Ceramiczne” 2006, nr 4, s. 120–130.
[26] T. L. JORDAN, Z. OUNAIES: Characterization of piezoelectric ceramic materials.
W: A. KHOLKIN, B. JADIDIAN, A. SAFARI: Ceramics, piezoelectric and
electrostrictive. Encyclopedia of Smart Materials. New York, Wiley and Sons Inc., 2002.
[27] J. RAABE, E. BOBRYK: Ceramika funkcjonalna. Metody otrzymywania i własności.
Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1997.
[28] Z. SUROWIAK, D. BOCHENEK, J. KORZEKWA, E. NOGAS-ĆWIKIEL, M. PŁOŃSKA, B. WODECKA-DUŚ: Technologia wytwarzania, właściwości i możliwości aplikacyjne elektroceramiki ferrroelektrycznej. Część II. Niektóre
właściwości ceramicznych proszków ferroelektrycznych. „Materiały Ceramiczne” 2007, nr 1, s. 4–16.
[29] Handbook of sol-gel science and technology: processing characterization
and applications. T. 3. Red. S. SAKKA. New York, Kluwer Academic Publishers, 2005.
[30] Sol-gel technology for thin films, fibres, preforms, electronics and speciality shapes.
Red. L. KLEIN. New Yersey, Noyes Publications, 1988.
[31] K. HABERKO: Proszki ceramiczne budowa i wymagania. „Inżynieria materiałowa”
1995, nr 2, s. 35–41.
[32] R. PAMPUCH, K. HABERKO, M. KORDEK: Nauka o procesach ceramicznych.
Warszawa, PWN, 1992.
[33] Elektroceramika ferroelektryczna. Red. Z. SUROWIAK. Katowice, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, 2004.
[34] Z. SUROWIAK, D. BOCHENEK: Modyfikowanie składu chemicznego elektroceramiki PZT. „Materiały Ceramiczne” 2004, nr 4, s. 124–134.
[35] G. CIOFANI, A. MENCIASSI: Piezoelectric nanomaterials for biomedical applications.
Berlin Heidelberg, Springer, 2012.
[36] I. N. ANDRYUSHINA, L. A. REZNICHENKO, V. A. ALYOSHIN, L. A. SHILKINA, S.V. TITOV, V.V. TITOV, K.P. ANDRYUSHIN, S.I. DUDKINA: The PZT system (PbZr1-xTixO3, 0.0≤x≤1.0): specific features of recrystallization sintering and microstructures of solid solutions (Part 1). „Ceramics International” w druku.
[37] N. FARHATA, W. ESSOLAANI: Low polarization switching in lead zirconate titanate (PZT) ceramics. „Materials Science and Engineering” 2012, nr 28, s. 012013.
[38] L. MEDVECKÝ, M. KMECOVÁ, K. SAKSL: Study of PbZr0.53Ti0.47O3 solid solution formation by interaction of perovskite phases. „Journal of the European Ceramic Society” 2007, nr 27 (4), s. 2031–2037.
[39] G. L. SMITH, J. S. PULSKAMP, L. M. SANCHEZ, D. M. POTREPKA, R. M. PROIE, T. G. IVANOV, R. Q. RUDY, W. D. NOTHWANG, S. S. BEDAIR, C. D. MEYER, R. G. POLCAWICH: PZT-based piezoelectric MEMS technology. „Journal of the European Ceramic Society” 2012, nr 95, s. 1777–1792.
[40] C. B. CARTER, M. G. NORTON: Ceramic materials science and engineering. New York, Springer, 2007.
[41] C. P. SHAW, S. GUPTA, S. B. STRINGFELLOW, A. NAVARRO, J.R. ALCOCK, R. W. WHATMORE: Pyroelectric properties of Mn-doped lead zirconate-lead titanate-lead magnesium niobate ceramics. „Journal of the European Ceramic Society” 2002, nr 22, s. 2123–2132.
[42] E. BOUCHER, B. GUIFFARD, L. LEBRUN, D. GUYOMAR: Effects of Zr/Ti ratio on structural, dielectric and piezoelectric properties of Mn- and (Mn, F)-doped lead zirconate titanate ceramics. „Ceramics International”, 2006, nr 32 (5), s. 479–485.
[43] E. PEREZ-DELFIN, J. E. GARCÍA, D. A. OCHOA, R. PÉREZ, F. GUERRERO.
J. A. EIRAS: Effect of Mn-acceptor dopant on dielectric and piezoelectric responses of lead lanthanum zirconate titanate piezoceramics. „Journal of Applied Physics” 2011, nr 110, s. 034106-1–034106-6
[44] T. QIU-LIN, Z. WENDONG, X. CHENYANG, X. JIJUN, L. JUN, L. JUN-HONG, L. TING: Design, fabrication and characterization of pyroelectric thin film and its application for infrared gas sensors. „Microelectronics Journal” 2009, nr 40, s. 58–62.
[45] C. LICHTENSTEIGER, M. DAWBER, J. M. TRISCONE: Ferroelectric size effect.
W: K. RABE, C. H. AHN, J. M. TRISCONE: Physics of ferroelectrics: a modern perspective. Berlin Heidelberg, Springer–Verlag 2007.
[46] M. MALINOWSKI. Interkalowany nanokompozyt PVDF: synteza, właściwości, zastosowania. „Prace Instytutu Elektrotechniki”. 2009, zeszyt 243, s. 101–113.
[47] S. T. LIU, J. D. HEAPS O. N. TUFTE: The pyroelectric properties of the lanthanum-doped ferroelectric PLZT ceramic. „Ferroelectrics” 1972, nr 3 (1), s. 281–285.
[48] S. Y. ZHAROVA V. M. RUDYAKA: Pyroelectric properties and applications of piezoelectric PLZT ceramics. „Ferroelectrics” 1991, nr 118 (1), s. 103–109.
[49] A. P. BARRANCO, F. C. PIÑAR, O. P. MARTÍNEZ: PLZT ferroelectric ceramics on the morphotropic boundary phase. Study as possible pyroelectric sensors. „Physica Status Solidi (A)” 2001, nr 186 (3), s. 479–485.
[50] A. ŁOZIŃSKI: PLZT pyroelectric radiant energy sensor. „Sensors and Actuators A:
Physical” 1994, nr 42 (1–3), s. 535–537.
[51] M. PŁOŃSKA, D. CZEKAJ, Z. SUROWIAK: Application of the sol-gel method to the synthesis of ferroelectric nanopowders (Pb1-xLax)(Zr0.65Ti0.35)1-0.25xO3, 0.06≤x≤0.1.
„Materials Science – Poland” 2003, nr. 21 (4), s. 431–437.
[52] G. H. HAERTLING: Ferroelectric ceramics: history and technology. „Journal of the American Ceramic Society” 1999, nr 82, s. 797–818.
[53] S. O. LEONTSEV, R. E. EITEL: Progress in engineering high strain lead-free
piezoelectric ceramic. „Science and Technology of Advanced Materials” 2010, nr 11, s. 1–13.
[54] Y. SAITO, H. TAKAO, T. TANI, T. NONOYAMA, K. Takatori, T. HOMMA, T. NAGAYA, M. NAKAMYRA: Lead-free piezoceramics. „Nature” 2004, nr 432 (7013), s. 84–87.
[55] E. CROSS: Lead-free at last. „Nature” 2004, nr 432 (7013):, s. 24–25.
[56] T. R. SHROUT, S. J. ZHANG: Lead-free piezoelectric ceramics: alternatives for PZT?
„Journal of Electroceramics” 2007, nr 19, s. 111–124.
[57] G. A. SMOLEŃSKI, N. N. KRAJNIK: Ferroelektryki i antyferroelektryki. Warszawa, PWN, 1971.
[58] C. H. AHN, K. M. RABE J. M. TRISCONE: Ferroelectricity at the nanoscale: local polarization in oxide thin films and heterostructures. „Science” 2004, nr 303 (5657), s. 488–491
[59] H. D. MEGAW: The seven phases of sodium niobate. „Ferroelectrics” 1974, nr 7, s. 87–89.
[60] P. SEIDEL, H. BOMAS, W. HOFFMANN: Temperature dependence of the birefregence at the phase transition of NaNbO3 P-NaNbO3 N’. „Ferroelectrics” 1978, nr 18,
s. 243–248.
[61] I. P. RAEVSKI, S. A. PROSANDEEV: A new, lead free family of perovskites with a diffuse phase transition: NaNbO3-based solid solutions. „Journal of Physics and Chemistry of Solids” 2002, nr 63, 1939–1950.
[62] S. LANFREDI, M.H. LENTE, J.A. EIRAS. Phase transition at low temperature in NaNbO3 ceramic. „Applied Physic Letters” 2002, nr 80, s. 2731–2733.
[63] B. JIMENEZ, A. CASTRO, L. PARDO: High-temperature ferroelastic phase transitions in Li–Na niobate compounds. „Applied Physic Letters” 2003, nr 82, s. 3940–3942.
[64] H. KHEMAKHEM, A. SIMON, R. Von Der MÜHLL, J. RAVEL: Relaxor or classical ferroelectric behaviour in ceramics with composition Ba1-xNaxTi1-xNbxO3. „Journal of Physics: Condensed Matter” 2000, nr 12, s. 5951–5959.
[65] M. OLSZOWY, E. MARKIEWICZ, C. PAWLACZYK, E. NOGAS-ĆWIKIEL:
Dielectric response of PVC polymer loaded with Ba0.3Na0.7Ti0.3Nb0.7O3 ceramic powder.
„Phase Transitions” 2008, nr 81 (11–12), s. 1099–1106.
[66] E. NOGAS: Zastosowanie metody zolowo-żelowej w technologii elektroceramiki Sr0,7Ba0,3Nb2O6 (SBN70). „Ceramika” 2005, nr 89, s. 146–152.
[67] E. NOGAS-ĆWIKIEL, K. ĆWIKIEL: Elektroceramika Sr0,7Ba0,3Nb2O6 (SBN70) o strukturze typu tetragonalnego brązu wolframowego dla detektorów piroelektrycznych.
„Ceramika” 2005, nr 91, s. 217–222.
[68] http://www.scribd.com/doc/41976906/Advanced–Ceramics
[69] A. BOCZKOWSKA, J. KAPUŚCINSKI, Z. LINDEMANN, D. WITEMBERG-PERZYK, S. WOJCIECHOWSKI: Kompozyty. Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2003.
[70] Encyclopedia of smart materials. T. 2. Red. M. SCHWARTZ. New York, Wiley and Sons Inc., 2002.
[71] K. BRASZCZYŃSKA-MALIK, Z. PĘDZICH, K. PIETRZAK, Z. ROSŁANIEC, T. STERZYŃSKI, M. SZWEYCER: Problemy terminologii w kompozytach i wyrobach kompozytowych. „Kompozyty” 2005, nr 5 (1), s. 19–24.
[72] R. NEWNHAM, D. SKINDER, E. CROSS: Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites. „Materials Reserch Bulletin” 1978, nr 13 (5), s. 325–336.
[73] W. HEYWANG, K. LUBITZ, W. WERSING: Piezoelectricity evolution and future of a technology. Berlin, Springer, 2008.
[74] F. Yang, D. Zhang, B. Yu, K. Zheng, L. Zhihua: Pyroelectric properties of ferroelectric ceramic/ferroelectric polymer 0-3 composites. „Journal of Applied Physics” 2003, nr 94 (4), s. 2553–2558.
[75] S. HAJEESAEH, S. MUENSIT: Theory and measurements of 0-3 BaTiO3/PVDF composites. „Songklanakarin Journal of Science and Technology” 2007, nr 2, s. 413–418.
[76] E. KRZEMIEŃ: Materiałoznawstwo. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 1999.
[77] Chemia polimerów. T. 2. Podstawowe polimery syntetyczne i ich zastosowania.
Red. Z. FLORJAŃCZYK, S. PĘCZEK. Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2002.
[78] Polymer handbook. Red. J. BRANDRUP, E. H. IMMERGUT, E. A. GRULKE.
New York, Wiley VCH, 2003.
[79] A. ELICEGUI, J. J. Del VAL, J. L. MILLAN, C. MIJANGOS: α and β relaxation processes in internally plasticized poly(vinylchloride). „Journal of Non-Crystalline Solids” 1998, nr. 235, s. 623–627.
[80] B. HILCZER, J. MAŁECKI: Elektrety i piezopolimery. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1992.
[81] D. ROLLIK, S. BAUER, R. GERHARD-MULTHAUPT: Separate contributions to the pyroelectricity in poly(vinylidene fluoride) from the amorphous and crystalline phases, as well as from their interface. „Journal of Applied Physics” 1999, nr 85 (6), s. 3282–3288.
[82] H. KAWAI: The piezoelectricity of poly(vinylidene fluoride). „Japanese Journal of Applied Physics” 1969, nr 8, s. 975–976.
[83] J. G. BERGMANN, J. H. McFEE, G. R. CRANE: Pyroelectricity and optical second harmonic generation in polyvinylidene fluoride films. „Applied Physics Letters” 1971, nr 18, s. 203–205.
[84] K. NAKAMURA, Y. WADA: Piezoelectricity, pyroelectricity, and the electrostriction constant of poly(vinylidene fluoride). „Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics” 1971, nr 9, s. 161–173.
[85] A. BOCZKOWSKA: Inteligentne polimery i kompozyty polimerowe. „Inżynieria Materiałowa” 2004, nr 2, s. 72–76.
[86] M. OLSZOWY, E. NOGAS-ĆWIKIEL, K. ĆWIKIEL: Influence of SBN70 concentration in PVDF on dielectric and pyroelectric properties of nanocomposites. „Journal
of Physics: Conference Series” 2011, nr 289, 108–112.
[87] B. HILCZER, J. KUŁEK, E. MARKIEWICZ, M. KOSEC, B. MALIČ: Dielectric relaxation in ferroelectric PZT-PVDF nanocomposites. „Journal of Non-Crystalline Solids” 2002, nr 305, s. 167–173.
[88] M. OLSZOWY, E. MARKIEWICZ, C. PAWLACZYK, J. KUŁEK, E. NOGAS-ĆWIKIEL: Pyroelectric and dielectric properties of lead lanthanum zirconate titanate (Pb0.92La0.08)(Zr0.65Ti0.35)O3-P(VDF/TFE)(0.98/0.02) nanocomposites. „Journal of Electroceramics” 2009, nr 23 (1), s. 94–101.
[89] E. NOGAS-ĆWIKIEL: Fabrication of Mn doped PZT for ceramic-polymer composites.
„Archives of Metallurgy and Materials” 2011, nr 56 (4), s. 1065–1069.
[90] M. OLSZOWY, E. MARKIEWICZ, C. PAWLACZYK, E. NOGAS-ĆWIKIEL, M.
PŁOŃSKA: Dynamic dielectric response of PLZT-P(VDF/TFE) nanocomposites.
„Journal of Physics: Conference Series” 2007, doi:10.1088/1742–6596/79/1/012035.
[91] C. PAWLACZYK, M. OLSZOWY, E. MARKIEWICZ, E. NOGAS-ĆWIKIEL,
J. KUŁEK: Dielectric behaviour and pyroelectricity in SBN70-PVC composites. „Phase Transitions” 2007, nr 80 (1–2), s. 177–183.
[92] A. G. CHYNOWETH: Dynamic method for measuring the pyroelectric effect with special reference to barium titanate. „Journal of Applied Physics” 1956, nr 27, s. 78–84.
[93] E. G. FESENKO, Z. SUROWIAK: Procesy zachodzące w ceramice ferroelektrycznej pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. W: Prace Wydziału Techniki. T. 31:
Ferroelektryki tlenowo-oktaedryczne (2). Katowice, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, 2000.
[94] D. CZEKAJ: Zjawiska degradacji w materiałach piezoelektrycznych. W: Prace Wydziału Techniki. T. 30: Ferroelektryki tlenowo-oktaedryczne. Katowice, Wydawnictwo
Uniwersytetu Śląskiego, 1997.
Ewa Nogas-Ćwikiel
Obtention of ceramic powders
for ceramic-polymer composites for pyroelectric detectors
Summary
In the monograph, the results of examinations were described. Those tests concerned contents design and working out technology for ceramic powders useful for ceramic-polymer composites of which pyroelectric infra-red detectors can be constructed.
To obtain ceramic powders two methods were used – traditional and modern sol-gel one. The obtained powders were: lead zirconate titanate admixtured with manganese Pb[(Zr0,3Ti0,7)0,97Mn0,03]O3, lead zirconate titanate admixture with lanthanum (Pb0,92La0,08)(Zr0,65Ti0,35)O3, and lead-free ceramics of solid solution of barium titanate and sodium niobiate (Ba0,3Na0,7)(Ti0,3Nb0,7)O3, and also barium strontium niobiate Sr0,7Ba0,3Nb2O6.
The ceramic-polymer composites were prepared, where the active phase constituted the ceramic powders obtained. The composites were tested for possibility of use in constructing pyroelectric detectors.
The accomplishment of the dissertation was designing and obtaining of the Sr0,7Ba0,3Nb2O6-PVDF whose structure is directed.
Ева Ногас-Цвикель
Получениe керамических порошков
для композиционных материалов керамика-полимер для пироэлектрических датчиков
Резюме
Монография представляет результаты исследования проектирования складов и разработки технологий керамическиx порошков которые подходит для применения в композиционных материалах для пироэлектрических датчиков.
Для получения керамических порошков был применен традиционный метод и современный зол-гель метод. Были получены порошки: цирконата-титаната свинца с добавкой марганца Pb[(Zr0,3Ti0,7)0,97Mn0,03]O3, цирконата-титаната свинца с добавкой лантана (Pb0,92La0,08)(Zr0,65Ti0,35)O3, а также керамики без содержания свинца: твердoво растворa титаната бария и ниобата натрия (Ba0,3Na0,7)(Ti0,3Nb0,7)O3 и ниобата бария-стронция Sr0,7Ba0,3Nb2O6.
C полученных порошков сделано композиционные материалы с полимерной матрицей. Композиционные материалы были проверены на предмет возможного их применения для строительства пироэлектрических инфракрасных датчиков.
Достижением этой работы была разработка и получение композиционного материалa Sr0,7Ba0,3Nb2O6-PVDF которий имеет слоистую текстуру.