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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.76.2015.tde-01072015-160755
Document
Author
Full name
Thiago Martins Amaral
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2015
Supervisor
Committee
Hernandes, Antonio Carlos (President)
Guerra, José de los Santos
Macêdo, Zélia Soares
Vicente, Fabio Simões de
Zambrano, Michel Venet
Title in Portuguese
Síntese e caracterização ferroelétrica de compósitos cerâmicos planares de BaTiO3/BaTi1-xZrxO3
Keywords in Portuguese
Compósitos ferroelétricos
Eletrocerâmicas
Titanato de bário
Abstract in Portuguese
Compósitos cerâmicos planares de titanato zirconato de bário, BaTi1-xZrxO3, foram produzidos e os efeitos da quantidade de Zr4+ em suas propriedades funcionais foram estudados. As amostras foram fabricadas pelo método convencional de processamento cerâmico e pela técnica de deposição de fitas cerâmicas a partir de BaTi1-xZrxO3 com x=0, 0,05, 0,1, 0,15 e 0,2 sintetizados pelo método hidrotermal e pelo método dos precursores poliméricos. Foram realizadas caracterizações estrutural (difração de Raios X pelo método do pó e espectroscopia Raman), composicional (espectroscopia por dispersão de energia), microestrutural (microscopia eletrônica de varredura, ensaios de dilatometria) e funcional (permissividade elétrica, coeficiente piezoelétrico d33, coeficiente piroelétrico e histerese ferroelétrica). Além disso, a regra da mistura de fase foi utilizada para prever a permissividade elétrica dos compósitos e as tensões mecânicas internas e seus efeitos na permissividade elétrica e na temperatura de Curie de policristais de BaTiO3 foram simulados. As análises dos dados e as discussões foram realizadas considerando o modelo fenomenológico de Devonshire, a modificação de Forsbergh deste modelo para incluir efeitos de tensões mecânicas bidimensionais e o modelo de policristal tetragonal de BaTiO3 sugerido por Buessem. Os resultados mostram a existência de tensões residuais bidimensionais que surgem após o resfriamento dos compósitos devido às diferenças nos coeficientes de expansão térmica das fases constituintes. Os métodos de obtenção das amostras afetaram o tamanho final dos grãos e as espessuras das interfaces dos compósitos, sendo que, em geral, eles são menores e mais finos nas fitas cerâmicas homogêneas do que nas correspondentes cerâmicas homogêneas. Os compósitos apresentaram deslocamento da Tc para maiores temperaturas e aumento do grau de difusividade da transição. A presença das tensões mecânicas residuais e as características microestruturais, juntamente com os modelos utilizados, explicam qualitativamente a permissividade elétrica obtida. Concluí-se que a quantidade de Zr4+ modifica o comportamento das camadas durante a sinterização e altera o coeficiente de dilatação. Estas mudanças geram tensões mecânicas residuais que afetam a microestrutura e as propriedades funcionais dos compósitos. Portanto, a produção de compósitos cerâmicos ferroelétricos deve considerar a correlação existente entre microestrutura e tensões residuais para que suas propriedades sejam otimizadas.
Title in English
Synthesis and ferroelectric characterization of planar BaTiO3/BaTi1-xZrxO3 ceramic composites
Keywords in English
Barium titanate
Electroceramics
Ferroelectric composites
Abstract in English
Planar BaTi1-xZrxO3 ceramic composites had their functional properties investigated. These composites were obtained by the conventional ceramic processing technique and by tape casting technique. Furthermore, BaTi1-xZrxO3 x=0, 0.05, 0.1, 0.15 and 0.2 were synthesized by the polymeric precursors method and by the hydrothermal synthesis to study the synthesis influences and to study the effect of Zr4+ on the functional properties of the composites. Structural characterization (X-Ray powder diffraction and Raman spectroscopy), compositional analysis (energy dispersive X-Ray spectroscopy), microestrutural evaluation (scanning electron microscopy, dilatometry measurements) and functional properties characterization (electrical permittivity, piezoelectric coefficient d33, pyroelectric coefficient and ferroelectric hysteresis) were performed. Furthermore, the composites electrical permittivity was predicted by the simple mixture and the internal mechanical stress distribution and it´s effects on both, electrical permittivity and Curie´s temperature (Tc) of BaTiO3 polycrystals, were simulated. The analyses and discussions were supported by 1- Devonshire´s phenomenological theory, 2- Forsbergh´s modification to Devonshire´s theory to include the two-dimensional stress effects on Tc and 3- Buessem´s BaTiO3 tetragonal polycrystal model. The results show that the sintered composites present two-dimensional residual stresses after cooling due to the constrained sintering of the layers and their thermal expansion coefficient mismatch. The methods of sample preparation led to differences in grain size and interface thickness, with the homogeneous ceramic tapes presenting smaller grain sizes and thinner thickness than the conventional homogeneous ceramics. On the other hand, the composites showed a Tc shift to higher temperatures, a more diffuse phase transition and residual mechanical stresses. Concluding, the Zr4+ substitution of Ti4+ modifies the layer´s sintering behavior and their thermal expansion coefficient. These changes lead to microstructure modifications that affect the functional properties of planar BaTi1-xZrxO3 composites. Thus, the design of ferroelectric composites should take into consideration the correlations between microstructure and residual stresses in order to optimize their functional properties.
 
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Publishing Date
2015-07-13
 
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