Project detail

Control of microstructure and properties of lead-free piezoceramic materials through advanced ceramic processing

Duration: 01.01.2018 — 31.12.2020

Funding resources

Czech Science Foundation - Standardní projekty

- whole funder (2018-01-26 - 2020-12-31)

On the project

Bezolovnaté piezokeramické materiály na bázi KNN a BCZT jsou slibnými kandidáty pro nahrazení PZT keramiky s vysokým faktorem mechanické jakosti. Dosud však byl výzkum v oblasti přípravy těchto materiálů omezen zejména na konvenční syntézy v pevném stavu následované izostatickým lisováním a beztlakým slinováním na vzduchu. Vyhodnocení jejich piezoelektrických vlastností je proto ovlivněno přítomností strukturních defektů a fázových nečistot. Naše dosavadní zkušenosti s přípravou funkčních keramik ukazují, že vhodné zdokonalení technologie jejich přípravy pozitivně ovlivňuje jejich funkční vlastnosti, proto navrhujeme systematický výzkum mokrých chemických syntéz s následnou aplikací pokročilých tvarovacích a slinovacích metod pro optimalizaci mikrostruktury a chemického a fázového složení dopovaných KNN a BCZT keramik. Jejich piezoelektrické vlastnosti a fundamentální role dopantů pak budou věrohodně vyhodnoceny a interpretovány ve vztahu k mikrostruktuře a chemickému a fázovému složení.

Description in English
KNN and BCZT based lead-free piezoceramics are promising candidates for replacing PZT ceramics with a high mechanical quality factor. The vast majority of the research of KNN and BCZT processing is so far limited to conventional solid state reaction followed by uniaxial pressing and pressure-less sintering in air. The evaluation of their piezoelectric properties therefore suffers from the presence of various microstructural, chemical, and phase imperfections. Since our existing experience with the processing of various types of functional ceramics shows that proper improvement of processing parameters positively influences their functional properties, we propose a research plan for the systematic study of wet chemical syntheses followed by advanced shaping and sintering routes with the aim of tailoring the microstructure and chemical and phase composition of doped KNN and BCZT ceramics. Their piezoelectric properties and fundamental role of dopants will then be properly evaluated and authentically interpreted in relation to microstructure and chemical and phase composition.

Keywords
Bezolovnatá piezokeramika; KNN; BCZT; dopování; mokrá chemická syntéza; pokročilé tvarování a slinování; piezoelektrické vlastnosti

Key words in English
Lead-free piezoceramics; KNN; BCZT; doping; wet chemical synthesis; advanced shaping and sintering; piezoelectric properties

Mark

18-20498S

Default language

Czech

People responsible

Částková Klára, doc. Ing., Ph.D. - fellow researcher
Erhart Jiří, Prof., PhD - fellow researcher
Kachlík Martin, Ing., Ph.D. - fellow researcher
Pouchlý Václav, doc. Ing., Ph.D., Ing.Paed.IGIP - fellow researcher
Tofel Pavel, Ing., Ph.D. - fellow researcher
Maca Karel, prof. RNDr., Dr. - principal person responsible

Units

Advanced Ceramic Materials
- beneficiary (2018-01-01 - 2020-12-31)
Central European Institute of Technology BUT
- responsible department (2017-04-03 - 2017-04-04)

Results

BIJALWAN, V.; TOFEL, P.; HOLCMAN, V. Grain size dependence of the microstructures and functional properties of (Ba0.85 Ca0.15–x Cex) (Zr0.1 Ti0.9) O3 lead-free piezoelectric ceramics. Journal of Asian Ceramic Societies, 2018, vol. 6, no. 4, p. 384-393. ISSN: 2187-0764.
Detail

BIJALWAN, V.; TOFEL, P.; ERHART, J.; MACA, K. The complex evaluation of functional properties of nearly dense BCZT ceramics and their dependence on the grain size. Ceramics International, 2019, vol. 45, no. 1, p. 317-326. ISSN: 0272-8842.
Detail

BIJALWAN, V.; TOFEL, P. Synthesis of high density sub-10 µm (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9)O3-xCeO2 lead-free ceramics using a twostep sintering technique. Journal of Asian Ceramic Societies, 2019, vol. 7, no. 4, p. 1-8. ISSN: 2187-0764.
Detail

BIJALWAN, V.; TOFEL, P.; SPOTZ, Z.; ČÁSTKOVÁ, K.; SOBOLA, D.; ERHART, J.; MACA, K. Processing of 0.55(Ba0.9Ca0.1)TiO3-0.45Ba(Sn0.2Ti0.8)O-3 lead-free ceramics with high piezoelectricity. Journal of the American Ceramic Society, 2020, vol. 103, no. 8, p. 4611-4624. ISSN: 0002-7820.
Detail

ERHART, J.; MAŠKARINEC, J.; MACA, K.; BIJALWAN, V. Method of loss calculation based on mechanical quality factor measurement. In 2019 IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, ISAF 2019 - Proceedings. 2019. p. 158556-1 (158556-3 p.)ISBN: 978-1-5386-9464-0.
Detail

BAI, Y.; PALOSAARI, J.; TOFEL, P.; JUUTI, J. A Single-Material Multi-Source Energy Harvester, Multifunctional Sensor, and Integrated Harvester-Sensor System-Demonstration of Concept. Energy Technology, 2020, no. 2000461, p. 1-12. ISSN: 2194-4288.
Detail

BIJALWAN, V.; SOKOLOV, I.; TOFEL, P. Poling procedures and piezoelectric response of (Ba0.85Ca0.15Zr0.1T0.9)O-3 ceramics. Journal of Asian Ceramic Societies, 2020, vol. 9, no. 1, p. 1-8. ISSN: 2187-0764.
Detail

BIJALWAN, V.; ERHART, J.; SPOTZ, Z.; SOBOLA, D.; PRAJZLER, V.; TOFEL, P.; MACA, K. Composition driven (Ba,Ca)(Zr,Ti)O(3)lead-free ceramics with large quality factor and energy harvesting characteristics. Journal of the American Ceramic Society, 2021, vol. 104, no. 2, p. 1088-1101. ISSN: 0002-7820.
Detail

BIJALWAN, V.; PRAJZLER, V.; ERHART, J.; TAN, H.; ROUPCOVÁ, P.; SOBOLA, D.; TOFEL, P.; MACA, K. Rapid pressure-less and spark plasma sintering of (Ba0.85Ca0.15Zr0.1T0.9)O3 lead-free piezoelectric ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 2021, vol. 41, no. 4, p. 2514-2523. ISSN: 0955-2219.
Detail

ERHART, J.; BIJALWAN, V.; SOLAŘ, F.; MACA, K. Derivation of losses from impedance spectrum for contour modes of ceramic resonator. Journal of Asian Ceramic Societies, 2020, vol. 8, no. 2, p. 291-297. ISSN: 2187-0764.
Detail

Responsibility: Maca Karel, prof. RNDr., Dr.