Electrocaloric Properties of the Zr-Substituted Batio3 – Na0.5bi0.5tio3 Ceramics

Abstract

The aim of this study is to investigate electrocaloric properties and thermodynamic behaviour, obtaining high adiabatic temperature change (ΔT) values with a broad temperature span of zirconium doped barium titanate-sodium bismuth titanate by substitution of Zr into B-site (titanium). Ceramics are synthesized in a pellet form by solid-state reactions. Chemical composition was Ba0.7Na0.15Bi0.15TixZr1-xO3 (abbreviated as BT-NBT) where x= 0.00, 0.01, 0.02, 0.03, 0.035, 0.04 and 0.05. Phase analysis was conducted by X-ray diffraction method. Microstructural analysis and average grain size determination was performed by Scanning Electron Microscopy. To understand phase transitions and physical behaviours, dielectric measurements are performed. Ferroelectric properties are investigated by using temperature dependent polarization, strain and current-electric field relationships. Electrocaloric measurements are done by using temperature dependent polarization-electric field data. Maxwell relations are used to calculate temperature dependent electrocaloric temperature change, ΔT, and from this data, temperature span, Tspan, was calculated. It was observed even though Zr substitution into the Ti-site rapidly decreases the Curie temperature and introduces relaxor ferroelectric character to the samples. However, the 1st order like nature of the ferroelectric-paraelectric phase transition at the Curie temperature and, consequently significant ΔT is maintained even for 4 % Zr substituted sample close to room temperature. Temperature span, on the other hand, has a lower value compared to previous works related to barium titanate systems. Electrocaloric efficiency is comparable to other works on Pb-free sytems and these results showed that BT-NBT systems have promising features for electrocaloric cooling technologies.

Bu çalışmanın amacı, zirkonyum ile katkılanmış baryum titanat-sodyum bismut titanatın elektrokalorik özelliklerini ve termodinamik davranışını incelemek, perovskite ABO3 yapısının B-pozisyonuna (titanyum) zirkonyumun katkılanması ile geniş bir sıcaklık aralığında yüksek adyabatik sıcaklık değişimi (ΔT) değerleri elde etmektir. Seramikler, katı hal tepkimeleri ile pelet formunda sentezlendi. Kimyasal kompozisyon şu şekildedir: Ba0.7Na0.15Bi0.15TixZr1-xO3, burada x= 0.00, 0.01, 0.02, 0.03, 0.035, 0.04 ve 0.05 moldür. Faz analizi X-ışını kırınımı yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Mikroyapısal analiz ve ortalama tane boyu belirleme taramalı elektron mikroskobu ile yapılmıştır. Faz geçişlerini ve fiziksel davranışları anlamak için dielektrik ölçümler yapılmıştır. Ferroelektrik özellikler, sıcaklığa bağlı polarizasyon, gerinim ve akım-elektrik alan ilişkileri kullanılarak incelenmiştir. Elektrokalorik ölçümler, sıcaklığa bağlı polarizasyon-elektrik alan verileri kullanılarak yapılmıştır. Maxwell denklemeler,, sıcaklığa bağlı sıcaklık değişimi, ΔT'yi hesaplamak için kullanılmıştır ve ΔT'nin belli bir değerin üzerinde kaldığı sıcaklık aralığı, Tspan elde edilmiştir. Zr iyonlarının Titanyum pozisyonuna katkılanması, Curie sıcaklığını çok düşürüp, malzemelerin relaxor gibi davranmasına yol açsa da, ferroelektrik-paraelektrik faz geçişindeki 1. dereceden faz geçişi davranışı ve bunun sonucunda elde edilen kayda değer ΔT değeri, %4 Zr katkılanmış ve faz geçişi oda sıcaklığına yaklaşmış örnekte bile sağlanmış oldu. Diğer yandan görece yüksek elektrokalorik etkinin görüldüğü sıcaklık aralığı, literatürdeki baryum titanat bazlı örneklerde yapılan çalışmalarına kıyasla daha düşük kaldı ama elektrokalorik verimlilik literature kıyasla kayda değer sonuçlar verdi. Tüm bu sonuçlar, BT-NBT sistemlerinin, elektrokalorik soğutma teknolojileri için umut vaat eden özelliklere sahip olduğunu göstermektedir.