Käänteiset komposiitit pietsosähköisten keraamien kierrätyksessä: Systemaattinen tutkimus täyte- ja sideaineiden vuorovaikutuksesta

Tässä väitöksessä tutkittiin lyijypohjaisten pietsokeraamien kierrätettävyyttä käänteisellä komposiittimenetelmällä. Lisäksi työssä arvioitiin kierrätettävien materiaalien dielektrisiä sekä pietso- ja ferrosähköisiä ominaisuuksia kokeellisesti ja teoreettisesti.

Kierrätettyyn Pb(Zr,Ti)O3-täyteaineeseen (PZT) sekä Me3NCH2ClCdCl3 ja C6H5N(CH3)3CdCl3 sideaineisiin perustuvien oksidi-halidi-perovskiittikomposiittien erinomainen yhteensopivuus saa aikaan hyvän tiivistymisen, jolloin pietsosähköisten varaus- ja jännitekertoimien (d33 ja g33) arvot ovat vastaavasti ≈90–100 pC/N ja 37–38 mV·m N-1. PZT:n faasimuutoksen ja Me3NCH2ClCdCl3:n hajoamisen samanaikaisuus voi häiritä mikrorakenteen kehittymistä, jolloin komposiitin permittiivisyys ja pietsosähköinen vaste jäävät alhaisiksi. Toisaalta Sm seostetun Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3:n käyttö täyteaineena välttää tämän samanaikaisuuden, jolloin komposiitille saadaan korkea suhteellinen permittiivisyys (≈650 taajuudella 1 kHz).

Pietsosähköisen vasteen rajoittumista ehkäistiin valitsemalla sideaineeksi korkean permittiivisyyden PVDF-TrFE-CTFE-polymeeri, jolloin komposiitin mikrorakenteesta muodostuu yhtenäisempi ja side- ja täyteaineen välinen permittiivisyysero pienenee. Tämän seurauksena komposiitin pietsosähköiset varauskertoimet parantuivat selvästi arvoihin 160–170 pC N-1, kun mallinnuksella ennustettu teoreettinen raja on 200 pC N-1. Saavutettujen d33-arvojen perusteella komposiitit säilyttävät noin 40 % pelkän keraamin pietsosähköisestä vasteesta. Vastaavasti pietsosähköiselle jännitekertoimelle (g33) saadut arvot ≈30–40 mV·m N-1 osoittavat keraamin ominaisuuksien säilyvän tältä osin myös komposiitissa.

Väitöksessä ehdotetaan sideaineen suhteelliselle permittiivisyydelle kriittistä kynnysarvoa (noin 30), jonka alapuolella pietsosähköisten kertoimet (d33 ja g33) pienenevät jyrkästi. Työssä käytetty kierrätysmenetelmä vaatii vähän energiaa ja tarjoaa siten tasapainon ympäristövaikutuksen ja funktionaalisen suorituskyvyn välillä. Alhainen sähkömekaaninen kytkeytyminen on edelleen kierrätyskomposiittien heikkous, mikä korostaa tarvetta paremmat dielektriset, pietsosähköiset ja mekaaniset ominaisuudet omaaville sideaineille. Yleisesti havainnot osoittavat, että pietsokeraamia voidaan kierrättää ja uusiokäyttää onnistuneesti. Tulevaisuuden tutkimuksen tulisi keskittyä korkean permittiivisyyden ja alhaisen prosessointilämpötilan sideaineiden kehittämiseen sekä kierrätysmateriaalien mekaanisten ominaisuuksien arviointiin.