2018

Browse

Now showing 1 - 5 of 11

Výzkum nových elektrokeramických struktur pro nové aplikace senzorů
(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Nan, Bo; Button, Timothy William; Liedermann, Karel; Milne, Steven
Piezoelektrické keramické materiály jsou široce používány v mnoha aplikacích a průmyslových odvětvích, nicméně tradiční materiály obvykle obsahují olovo, které je toxické vůči životnímu prostředí. Většina zemí proto zavedla zákony a omezení, které postupně minimalizují spotřebu olova a podporují výzkum v oblasti bezolovnatých kompozic, které by nahradily olověné protějšky. Bezolovnatá piezoelektrická keramika se tak stala žhavým tématem v posledních letech. Nicméně výzkumy na praktické využití bezolovnatých piezoelektrických materiálů jsou jen zřídka publikovány. V této diplomové práci byl vybrán jeden z nadějných kandidátů na piezoelektrickou bezolovnatou keramiku (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3 za účelem zkoumání metody snížení jeho vysoké teploty slinování pomocí dotování uhličitanem lithným, kde syntéza prášku byla připravená pomocí techniky sol-gel. Výsledky byly srovnány s konvenčním práškem syntetizovaným v pevné fázi. Vzorky vyrobené ze sol-gel prášku dopovaného 0.5% hmotn. uhličitanem lithným a slinované při 1300 °C po dobu 2 hodin vykazovaly d33 = 447 ± 9 pC N–1, teplotu Curie 98.7 °C a velikost zrn 7.0 ± 0.3 m. Další důležitou otázkou pro aplikace bezolovnatého piezoelektrického keramického materiálu je jeho výroba v různých konfiguracích. Použitím techniky odlévání pásky a aditivních výrobních postupů byla piezoelektrická keramika zpracována do tří různých konfigurací (2-2, 3-3 a 1-3), aby se překlenula mezera mezi materiálovými vědami a materiálovým inženýrstvím. Pro dolévání pásky byly použity suspenze na bázi oleje a vody. Pro přípravu neslinutých keramických fólií bez trhlin, byly pro odlévání na bázi oleje vyvinuty uhlíkové suspenze s obsahem pevných látek 25% hmotn. a BCZT suspenze s obsahem pevných látek 65% hmotn. Problém práškové hydrolýzy ve vodných suspenzích byl vyřešen povrchovou úpravou prášku Al(H2PO4)3, což umožnilo, aby byly tlusté vrstvy bez trhlin odlety v jednom kroku. Tlusté vrstvy slinované při 1500 °C vykazovaly relativní dielektrickou konstantu 1207, dielektrickou ztrátu 0.018 při 1 kHz, remanentní polarizaci 7.54 µC/cm2 a koercitivní síla intenzity pole (Ec) 0.23 kV/mm při 3 kV/mm. Pro tvarování BCZT v konfiguraci 3-3 a 1-3 byla použita přímá metoda tisknutí inkoustu. Pro správnou úpravu tiskového procesu byla použita inkoustová náplň s viskoelastickým chováním obsahující 41.6% obj. pevných látek BCZT a se zpracovatelskými přísadami (HPMC ~ 2.4% a PEI ~ 0.03%). Vzorky v konfiguraci 3-3, slinované při 1500 °C, vykazovaly nejvyšší dielektrické a piezoelektrické vlastnosti, kde Curieho teplota = 86 °C, tan = 0.021, remanentní polarizace = 4.56 µC/cm2 a d33 = 100 ± 4 pC/N. Vzorky v konfiguraci 1-3 slinované při 1500 °C, které byly smíchány s epoxidem, vykazovaly dielektrickou konstantu 144 a dielektrickou ztrátu 0.035 při 1 kHz. Tato práce popisuje tvarování bezolovnaté piezoelektrické keramiky s vynikajícími vlastnostmi v pokročilých strukturách jako krok k návrhu pro moderní senzorické a energy harvesting aplikace.
Termomechanické chování polymerních nanokompozitů s disperzí nanočástic kontrolovanou pomocí přípravného protokolu
(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Ondreáš, František; Jančář, Josef; Chodák,, Ivan; Matějka,, Libor
Tato dizertační práce je zaměřená na základní výzkum procesů samouspořádávání nanočástic v polymerních kapalinách a na vlastnosti připravených polymerních nanokompozitů s řízenou disperzí nanočástic. Navzdory současnému pokroku v porozumění polymerních nanokompozitech, stále chybí mnohé fundamentální znalosti relaxačních a mechanických vlastností polymerních nanostruktur, které by mohly poskytnout klíčové informace pro návrh hierarchických funkčních kompozitů zpracovatelných aditivními výrobními technikami. Hlavní důraz byl kladen na výzkum vlivu postupu přípravy nanokompozitu na finální stav disperze nanočástic, přípravu řízených nanostruktur – individuálně dispergované nanočástice, řetězci vázáné klastry a kontaktní agregáty - a určení jejich relaxačních a mechanických vlastností. Navíc byly nanočástice využity jako „sondy“ v polymerní matrici, které ovlivňují segmentální uspořádání a relaxační dynamiku polymerních řetězců a mohou poskytnout o těchto dějích zásadní informace. Tento přístup může pomoci nalezení vztahů mezi segmentální dynamikou na nano škále a mechanickými vlastnostmi polymerních skel na makro škále, což je náročný fundamentální problém s extrémní technologickou důležitostí. Neroubované keramické nanočástice a polymerní skla byly použity, aby se minimalizoval vliv silných interakcí mezi nanočásticemi a řetězci. Podrobný výzkum byl vykonán na modelovém systému PMMA/SiO2 a následně rozšířen na systémy s jinými matricemi (PC a PS) a jinými nanočásticemi (ZnO2 and Fe2O3) za účelem zobecnění obdržených výsledků. Byla určena závislost relaxačních a mechanických vlastností (teplota skelného přechodu, reptační čas, modul kaučukovitého plata, počet zapletenin, napětí na mezi kluzu, pokles napětí po mezi kluzu, elastický modul, modul deformačního zpevnění a odezvy při toku za studeny) na nanostruktuře, objemovém zlomku a složení. Získané výsledky byly interpretovány za použití současných modelů. Stanovené relaxační a mechanické vlastnosti byly propojeny, aby poskytli informace o molekulárních deformačních procesech řídících mechanickou odezvu makroskopických kompozitních těles.
Studie syntéz a přípravy bezolovnaté keramiky (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 v závislosti na struktuře a výsledných vlastností
(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Bijalwan, Vijay; Button, Timothy William; Liedermann, Karel; Olhero,, Susana Maria Henriques
V poslední době je snahou nahradit klasickou komerční olovnatou piezoelektrickou keramiku bezolovnatou, z důvodu zvýšeného zájmu o ochranu životního prostředí a zdraví. Různé typy materiálů již byly navrženy, jako například (K, Na) NbO3 (KNN), (Bi, Na) TiO3 (BNT), (Bi, Na) TiO3 – BaTiO3 (BNT-BT), ale jejich piezoelektrické vlastnosti zatím nedosáhly takových hodnot jako u olovnatý chkeramik (např. olovnatý titanát olova ((Pb Zr)TiO3). Nejvíce se olovnatým materiálů blíží bezolovnatý systém na bázi (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 nebo (Ba, Ca) (Zr, Ti) O3 ((1-x)BZT-xBCT, BCZT) a to díky vysokým piezoelektrickým a dielektrickým parametrům. Nevýhodou tohoto prostředku je jeho velmi vysoká teplota slinování (1520 ° C) za účelem dosažení vysokých piezoelektrických vlastností (např. Piezoelektrické konstanty d33 > 600 pC / N). Tato práce se zabývá bezolovnatou keramikou na bázi BCZT, její výrobou a vylepšením piezoelektrických vlastností dopováním CeO2. Přidáním CeO2 (y wt.%) do (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9) O3 se výrazně snížila slinovací teplota a došlo ke zhutnění při 1350°C. U této kompozice se Curieova teplota pohybovala kolem TC~105°C a velikost zrn byla v rozmezí ~ 10-13 m. Fázový přechod z romboedrické struktury na tetragonální (R-T) byl zjištěn pomocí rentgenové spektroskopie u y = 0 - 0.1 wt.%, což koreluje s výsledky Ramanovy spektrální analýzy. Mikrostrukturní a strukturní charakteristiky byly detailně studovány v korelaci s dielektrickými, feroelektrickými a piezoelektrickými vlastnostmi. Nejlepší funkční vlastnosti byly dosaženy pro keramiku BCZT – 0.07 wt.% CeO2. Tato keramika vykazovala piezoelektrický nábojový koeficient d33 = 507±20pC/N, elektromechanický planární koeficient kp = 51.8 %, dielektrickou konstantu r = 4091±100, ztrátový činitel tan = 0.02, remanentní polarizaci Pr = 13.58C/cm2, intenzitu koercitivního pole EC = 2.13kV/cm při normovaném napětí, d33* nebo Smax/Emax = 840pm/V. Dvoustupňovou kalcinační technikou bylo docíleno homogenního růstu zrn s vysokou relativní hustotou (~ 99% teoretické hustoty). Tato kompozice BCZT- CeO2 vykazovala stálé feroelektrické, dielektrické a piezoelektrické vlastností i při velikosti zrn 10 µm. Bezolovnatá piezoelektrická keramika (Ba0.85Ca0.15-y Cey) (Zr0.1Ti0.9) O3 (BCCeZT) byla dále dopována CeO2 s cílem substituce Ce4+ v místě A krystalické mřížky. Posunutí rentgenových vrcholů k vyšším úhlům naznačuje kontrakce mřížky, což by mohlo způsobit obsazení iontů ceru v místech A této soustavy. Bylo zjištěno, že velikost zrn kolem 10 - 12 m je významná pro vysokou piezoaktivitu bezolovnaté BCCeZT keramiky. Nejvyšší piezoelektrické vlastnosti tato keramika vykazovala při y;Ce = 0.00135 a slinovaná na teplotě 1350°C/4h, kdy piezoelektrické parametry byly d33 = 501±10 pC/N, kp = 38.5±1.92 %, Pr = 12.19 C/cm2, TC = 108.1 °C a s maximální deformací S do 0.14 %. Pro další studium substituce v místě A, byly vyrobeny keramické materiály (Ba1-x-y Cax Cey) (Zr0.1 Ti0.9) O3 (x:Ca = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 a y;Ce = 0.00135). Opět se ukázalo, že pokud byla velikost zrn ~13um, tak keramika vykazovala vysoké piezoelektrické vlastnosti (d33 = 457pC/N) pro x = 0.15 % kalcinované na teplotě 1425 °C. Když se se velikost zrn zvýšila nad 16 um, piezoelektrický nábojový koeficient d33 klesl na 200 pC/N. Rentgenová analýza ukázala změnu fázové struktury z rombické na tetragonální při zvýšení obsahu vápníku.
Efekt submikrometrických rysů na reologii polymerních nanokompozitů
(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Lepcio, Petr; Jančář, Josef; Chodák,, Ivan; doc.Ing.Marián Lehocký, Ph.D.
Polymerní nanokompozity (PNCs) mají slibnou budoucnost jako lehké funkční materiály zpracovatelné aditivními výrobními technologiemi. Jejich rychlému rozšíření však brání silná závislost jejich užitných vlastností na prostorovém uspořádání nanočástic (NP). Schopnost řídit disperzi nanočástic je tak klíčovým předpokladem pro jejich uplatnění ve funkčních kompozitech. Tato práce zkoumá přípravu polymerních nanokompozitů v modelové sklotvorné polymerní matrici roztokovou metodou, technikou schopnou vytvářet prostorové uspořádání nanočástic řízené strukturními a kinetickými parametry přípravného procesu. Prezentované výsledky popisují rozdíly mezi změnami rheologického chování roztoku polystyrenu při oscilačním smyku s vysokou amplitudou (LAOS) vyvolanými nanočásticemi. Výsledky vedou k závěru, že vysoce-afinní OP-POSS nanočástice při nízkých koncentracích dobře interagují s PS a tvoří tuhé agregáty, zatímco nízko-afinní OM-POSS nanočástice za těchto podmínek neovlivňují deformační chování polymerních řetězců. Dále byla pozornost zaměřena na vliv použitého rozpouštědla na uspořádání nanočástic v SiO2/PMMA a SiO2/PS nanokompozitech, který je v literatuře prezentován jako parametr řídící prostorové uspořádání nanočástic v pevném stavu. Důraz byl kladen na kvalitativní rozdíly mezi „špatně dispergovanými“ shluky nanočástic, které byly na základě rheologie a strukturální analýzy (TEM, USAXS) identifikovány jako polymerními řetězci vázané nanočásticové klastry a dva typy agregátů, jeden termodynamického a druhý kinetického původu. Jednotlivé druhy agregátů se vyznačují odlišnými kinetikami vzniku a rozdílnými vlastnostmi jak mezi sebou, tak v porovnání s dispergovanými nanočásticemi. Pozorované typy disperze nanočástic byly kvantitativně posouzeny podle svých rheologických vlastností během roztokové přípravy, podle kterých byla vyhodnocena míra adsorpce polymeru na povrch nanočástic a atrakce ve vypuzeném objemu. Výsledky byly porovnány s teorií PRISM. Důležitost uspořádání nanočástic byla demonstrována na porovnání teplot skelných přechodů různých struktur při stejném chemickém složení.
CMOS kompatibilní piezoelektrický rezonátor s FET strukturou pro řízení vlastností grafenové monovrstvy
(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Gablech, Imrich; Pekárek, Jan; Frank,, Otakar; Husák,, Miroslav
Práce je zaměřena na výzkum nové struktury umožňující charakterizaci fyzikálních vlastností grafenu při přesně řízených podmínkách. Návrh spojuje MEMS piezoelektrický rezonátor spolu s Hall Bar/FET strukturou. Tento přístup umožňuje měnit vlastnosti grafenu odděleně nebo společně dvěma metodami. Mechanický způsob je založen na relativní deformaci způsobené rezonátorem, na kterém je umístěna grafenová monovrstva. Navrhovaná struktura umožňuje měřit vlastnosti grafenu vyvolané pouze změnou mechanického pnutí a frekvencí nucených kmitů bez vlivu vnějšího elektrického pole. Druhý přístup přidává možnost ovládat fyzikální vlastnosti grafenu pomocí elektrického pole FET struktury. Tato technika využívá grafenovou monovrstvu jako laditelný sensor pro molekulární detekci. Měření koncentrace v jednotkách ppb není konstrukčně ničím limitováno. Realizované frekvenčně laditelné piezoelektrické MEMS rezonátory s monovrstvou grafenu budou využitelné v mnoha oblastech pro detekci na molekulové úrovni. Výsledné struktury budou vyrobeny v souladu s požadavky na bio- a CMOS kompatibilitu.

Browse

Recent Submissions