• Keine Ergebnisse gefunden

Comparison of PZT ceramics prepared from industrial‐used and highly pure raw

Chapter 4  Lead zirconate titanate ceramics from different raw materials and with lead

4.2  Comparison of PZT ceramics prepared from industrial‐used and highly pure raw

Chapter 4 Lead zirconate titanate ceramics from different raw  materials and with lead nonstoichiometry 

 

4.1 Introduction 

As has been mentioned, the final properties of PZT ceramics are affected by raw materials and  processing factors (Hiremath, Kingon et al. 1983). In the Chapter 2, effects of mixing methods on  these highly pure raw materials have been described. The preparation process of PZT ceramics has  been optimized. In this section, comparison of PZT prepared from two sources of raw materials  (industrial raw materials and highly pure raw materials) is made in terms of sintering behavior,  microstructure and electrical properties to have an overall impression of the total effect of  impurities.  

4.2 Comparison of PZT ceramics prepared from industrial‐used and highly  pure raw materials 

4.2.1 Differential Thermal Analysis 

Figure 4.1 presents DTA curves of PbO‐ZrO2‐TiO2 synthesized from different raw materials. These  curves show the expected transitions of PbO and the formation of PbTiO3 at approximately 600 °C  (Chandratreya, Fulrath et al. 1981). The transition temperature of PbO to form PbTiO3 varied in the  two mixtures. The HM mixture showed a transition temperature of 625°C, while that temperature  of the IM mixture shifted to a lower value, 587°C. It is known that polymorphic forms exist in TiO2  such as rutile phase and anatase phase. From Table 2.1, the modification of HM TiO2 was rutile,  different from the modification of IM TiO2, anatase. The anatase phase transforms to rutile at above  900°C and is considered to be metastable (Chen, Cheng et al. 1990), which could explain the shift in  the formation temperature of PbTiO3. A detailed discussion will be presented in the following  chapter. 

 

4.2.2 X‐ray Diffraction Analysis 

XRD diffraction patterns of the powder mixtures calcined at 850°C are shown in Figure 4.2.  The  XRD results indicate that a single perovskite phase existed in both PZT samples prepared from  different raw materials. In addition, the splitting of the (200) diffraction peak is observed. Usually 

34 4.2 Comparison of PZT ceramics prepared from industrial-used and highly pure raw materials

the (200) line is used for phase identification. It splits into two in the tetragonal structure and no  splitting occurs in the case of rhombohedral structure. Three peaks suggest the coexistence of  rhombohedral and tetragonal phases (Chen, Long et al. 2003). Thus, the diffraction peak at (200)  together with the other two split peaks confirm the compositions of these samples were within the  morphtropic phase boundary (Chen, Long et al. 2003). Since the composition of Pb(Zr0.53Ti0.47)O3  was designated to be within the MPB, the desired phases were achieved after the calcination. 

 

400 500 600 700 800 900

-0.03

(002)T (200)T(200)R(002)T (200)T

HM

4.2.3 In situ sintering behavior  

The green samples with a composition of Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 were prepared from calcined HM and IM  powder and sintered in TOMMI device at 1280°C for 1h with a heating rate of 10 K/min to study  the sintering behavior. Their shrinkage curves are illustrated as a function of temperature in Figure  4.3a. Shrinkage of a sample made from IM materials with1.5 wt% additional PbO is also plotted for  comparison. The onset temperatures of shrinkage increase from 745 °C to 865 °C and to 960 °C for  sample IM with excess PbO, sample IM and HM, respectively. In addition, the temperature that  HM sample requires to be fully densified is approximately 1280°C, which is much higher than that  of IM sample (1100°C) and IM sample with 1.5wt% additional PbO (1000°C). The large difference  in sintering activity between the samples can be seen from the densification rates as well (Figure  4.3b), which is calculated from time derivative of the shrinkage data. The densification rate of  sample HM is much lower than that of sample IM and reaches its maximum at 1190 °C whereas  sample IM shows the highest densification rate at 950 °C. The differences in the sintering behavior  between the HM and IM samples are attributed the differences in raw materials. Since the particle  sizes of those two samples are similar (refer to Table 2.5), the reason for the distinctive sintering  behavior of the two samples is explained by the impurity level. As listed in Table 2.1, all the  impurity concentrations in IM raw materials are higher than that in HM raw materials.  

Chapter 4 Raw materials and lead nonstoichiometry 35

800 1000 1200

0.84 IM+1.5mol% PbO a)

800 1000 1200

0.000

IM+1.5mol% PbO

-[d(L/L0)/dt]/(L/L0)

Temperature [°C]

b)

  Figure 4.3 Scaled width L/L0 (a) and densification rate dL/dt (b) of PZT samples made from  different raw materials at a heating rate of 10 K/min (HM‐highly pure materials, IM‐ industrially 

Figure 4.4 SEM images of pure PZT samples quenched at a linear shrinkage of 10% made from  industrially used raw materials (a) and highly pure raw materials (b). (Arrows indicate secondary  phase) 

 

It is well known that a small amount of liquid phase can significantly stimulate rapid densification  and reduce the sintering temperatures (Marion, Hsueh et al. 1987). Liquid phase sintering in PZT  containing excess PbO has already been reported and its effect is attributed to the low melting  point of lead oxide (Snow 1974; Fan and Kim 2001). Thus, the similar sintering behavior of IM  samples with and without PbO excess indicates that liquid phase has been formed even in  stoichiometric IM sample. Figure 4.4 shows the microstructure of samples IM and HM which were  quenched after a linear shrinkage of 10% during the sintering with a heating rate of 10 K/min. 

Secondary phases were observed at grain boundaries and triple junctions as pointed out by arrows  in Figure 4.4a. Unlike the IM sample, the HM sample showed no secondary phase after quenching  (Figure 4.4b). Although – due to its small size– it was difficult to measure the composition using  EDX, a brighter color of the secondary phase than the grains was observed using the QBSD  detector of SEM. It indicated a PbO‐rich phase, which has already been found in PZT samples with  PbO excess or additives purposely introduced by other researchers (Snow 1974). Therefore, it is  assumed that the impurities in IM mixture formed a melt phase with the PbO at low temperature. 

36 4.2 Comparison of PZT ceramics prepared from industrial-used and highly pure raw materials

The effect  of  secondary phase  on  sintering  of  PZT  is  emphasized  by Figure  4.3b, as  the  densification rate of sample IM reaches a maximum which is about two times higher than that of  sample HM.  

 

4.2.4 Sintering behavior with uniaxial load 

The comparison of sintering with and without load of PZT samples from different raw materials is  shown in Figure 4.5. With the load the strain in the axial direction, i.e. the height change of the  cylindrical samples, is increased while the strain in the radial direction is significantly decreased  compared to free sintering. During cooling the strain rate is nearly zero. Samples sintered without  load showed exactly the same shrinkage in axial and radial direction. Note that the used external  stress of 0.4 MPa is smaller than the sintering stress which is usually between 1 and 10 MPa for the  used powders. Previous experiments on many ceramic systems have shown that the anisotropy  which is caused by small uniaxial stresses during loading dilatometry depends on the sintering  mechanism: very small plastic deformation is observed for solid state sintering whereas a drastic  increase by more than an order of magnitude was found for all liquid phase sintered systems  (Scherer 1986). The anisotropy observed in the loading experiments indicates that sintering of both  types of samples, HM and IM, was dominated by a liquid phase mechanism. Although a liquid  phase sintering mechanism is expected for sample IM (referring to the previous section) it is  surprising for sample HM exhibiting such anisotropic sintering behavior.  

750 900 1050 1200

0.6

Scaled strain L/L0

Width with load Width/Height without load Height with load a)

900 1050 1200 1350

0.7 Width/Height without load Height with load

Scaled strain L/L0

Temperature [°C]

b)

   

Figure 4.5 Axial and radial strain of PZT samples with or without uniaxial load of 0.4 MPa at a  heating rate of 10 K/min made from industrially used raw materials (a) and highly pure raw  materials (b) 

4.2.5 Dielectric and piezoelectric properties 

The dielectric and piezoelectric properties of HM and IM samples are given in Table 4.1. Within the  experimental error, the mechanical quality factor shows no significant variation between these two  samples. IM  PZT  exhibits  a lower  coupling  factor, dielectric  loss  factor  as  well  as  lower 

Chapter 4 Raw materials and lead nonstoichiometry 37

piezoelectric coefficient d33 than HM sample. However, the dielectric constant of IM sample is  much higher than that of HM PZT. Previous investigations have demonstrated that the dielectric  and piezoelectric characteristics can be easily tailored by doping (Hammer, Monty et al. 1998). The  smaller coupling factor and piezoelectric coefficient imply a “soft” characteristic of IM sample  comparing to HM sample, whereas the higher dielectric constant suggests the “hard” side of IM  sample as well. The combination of “soft” and “hard” characteristics of IM sample could be  attributed to the different impurities in the raw materials. In order to understand the mixed  behavior, further investigations on the impurities will be presented in the next chapter.  Pure IM  16.5±0.4  51.3±0.2  17.4±1.6  96±10  270±0.2  863±11 

Pure HM  13.4±0.4  53.3±0.9  20.6±0.8  84±15  322±5  754±22 

4.2.6 Ferroelectric properties 

-3 -2 -1 0 1 2 3

Electrical field [kV/mm]

  Figure 4.6 Comparison of hysteresis loops obtained from HM PZT and IM PZT 

Differences on the hysteresis loops were also observed. Figure 4.6 plots the polarization hysteresis  (P‐E) loops of both samples. The shape of the P–E loops differs significantly with the ceramic  compositions. A well saturated loop is observed with the highly pure sample, while a less “square”