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Previous issue date: 2007-02-23 / Universidade Federal de Sao Carlos / The processing of lead metaniobate (PN) ferroelectric ceramics was optimized, therefore, in
this work, the main details to obtain PN ceramics with density higher than 96 % of the ideal density
are presented and discussed.
Taking into account the potential of the lead metaniobate for different applications, mainly for
high temperatures, the phase transition characteristics of this material, in both undoped and doped
compositions, were detaily investigated.
It was verified that the addition of Ti4+ enhances the densification and increase the Curie
temperature. Nevertheless, the ferro-paraelectric phase transition is affected by an electric
conductive process, which appears in temperatures below and above the Curie temperature. The
double ionized oxygen vacancies are proposed to be the charge carriers responsible for this
conductive process. The undoped and Ti4+-doped PN ceramics show low values of the mechanical
quality factor and high piezoelectric anisotropy, which are desired characteristics for the fabrication
of broad band electro-mechanical transducers, mainly to operate in the thickness mode.
The addition of Ba2+ to the PN (PBN) considerably decreases the Curie temperature, but it
induces a phase transition, leading to the formation of a morphotropic phase boundary (MPB)
around the composition with 37 % of Ba2+, in which some properties are enhanced. In this way, the
characteristics of the ferro-paraelectric phase transition, for compositions around the MPB, were
investigated for Ba2+-doped PN ceramics, textured by hot forging. It was found that the MPB
extends towards a wide composition range, in which both tetragonal 4mm and orthorhombic m2m
tungsten bronze (TB) phases coexist. In addition, with the increasing temperature, two phase
transitions were observed for this composition range. First, the material portion with orthorhombic
(m2m) symmetry transforms into the tetragonal (4mm) phase and, second, the 4mm phase (that
represents the material in its totality) transforms into the paraelectric phase with the tetragonal
4/mmm TB symmetry. These results helped to complete the reported PBN phase diagram.
Moreover, it was found that the La3+ addition to the PBN, for the composition with 56 % of Pb2+,
induces the formation of the orthorhombic (m2m) phase.
All the (doped and undoped) PN ceramics showed two dielectric dispersion processes at low
temperatures, i.e. from 30 to 300 K, which seems to be an inherent feature of all materials with TB
structure and ((A1)x(A2)5-xNb10O30) structural formula. The two processes were associated to a
phase transition and the formation of incommensurate structures, respectively. The influence of
such incommensurate structures on the relaxor behavior and diffusivity of the ferro-paraelectric
phase transition was also analyzed. / O processo de obtenção de cerâmicas ferroelétricas de metaniobato de chumbo (PN) foi
otimizado, de forma que este trabalho oferece os detalhes necessários para a obtenção de
cerâmicas de PN com densidades superiores aos 96 % da densidade ideal.
Levando-se em consideração a potencialidade do metaniobato de chumbo para diferentes
tipos de aplicações, principalmente em altas temperaturas, foi realizada uma investigação
detalhada das características da transição de fase nesse material puro e dopado.
Verificou-se que a adição de Ti4+ favorece a densificação das cerâmicas e aumenta a
temperatura de Curie. Contudo, a transição de fase ferro-paraelétrica é afetada por um processo
de condutividade elétrica que se manifesta tanto em temperaturas inferiores quanto superiores à
temperatura de Curie. Por outro lado, determinou-se que o portador de carga responsável por tal
processo condutivo são as vacâncias de oxigênio duplamente ionizadas. As cerâmicas de PN,
puras e dopadas com Ti4+, apresentaram baixos valores do fator de qualidade mecânico e uma
alta anisotropia piezoelétrica. Tais características são desejáveis para a fabricação de
transdutores eletro-mecânicos de banda larga, principalmente para operar no modo de espessura.
A adição de Ba2+ ao PN (PBN) diminui consideravelmente a sua temperatura de Curie, mas
induz uma transição de fase, formando um contorno de fase morfotrópico (CFM), ao redor da
composição com 37 % de Ba2+, na qual algumas propriedades são maximizadas. Assim, utilizando
cerâmicas texturadas de PN dopadas com Ba2+, obtidas por forjamento a quente, foi possível
investigar as características da transição de fase ferro-paraelétrica para composições ao redor do
CFM. Verificou-se que a região do CFM se estende em uma ampla faixa de composições onde
coexistem as estruturas tungstênio bronze (TB) com simetria tetragonal 4mm e ortorrômbica m2m.
Observou-se também que, nessa região de composições, ocorrem duas transições de fase com o
aumento da temperatura. Inicialmente a fração de fase ortorrômbica se transforma em tetragonal
e, posteriormente, todo o material com simetria 4mm passa ao estado paraelétrico, onde adota a
estrutura TB com simetria tetragonal 4/mmm. Com esses resultados foi possível complementar o
diagrama de fases do PBN existente na literatura. A adição de La3+, na cerâmica de PBN com 56
% de chumbo, favoreceu a formação da estrutura TB com simetria ortorrômbica.
Em todas as cerâmicas de PN (puro e dopado), foram observados dois processos de
dispersão dielétrica em baixas temperaturas, entre 30 e 300 K, aparentemente são inerentes a
todos os materiais com estrutura TB e fórmula estrutural ((A1)x(A2)5-xNb10O30), e estão
relacionados com uma transição de fase e com a formação de superestruturas incomensuráveis
respectivamente. Foi analisada também a influência de tais superestruturas no comportamento
relaxor e na difusividade da transição de fase ferro-paraelétrica das cerâmicas estudadas.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/4897 |
| Date | 23 February 2007 |
| Creators | Zambrano, Michel Venet |
| Contributors | Garcia, Ducinei |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Física, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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