Formation of SrTiO3[TiO2] ceramic composites at low temperatures

Abstract

Strontium titanate ceramics are materials belonging to the perovskite material group with the formula ABO3. Strontium titanate ceramics have been a preferred material in many areas, such as the electroceramics industry, due to its high dielectric constant and high chemical stability and generally produced by manufacturing processes such as solid-state synthesis, hydrothermal method, and sol-gel. SrTiO3 ceramics have been produced in the literature with different temperatures, times, and starting materials. For ceramic products, a sintering step is required after the powder production step. Traditional sintering methods, which have been used for many years, are used to densify powders with high temperatures. Recently developed low-temperature densification methods enable the sintering process to be carried out at relatively lower temperatures. For this purpose, in this thesis, SrTiO3-TiO2 ceramic composites were produced at different reaction temperatures and times using the rHLPD method, which combines powder production and sintering steps in a single process. In the studies, the reaction temperature, time, and the effect of adding mineralizer to the prepared solution for the hydrothermal reaction on the final product were investigated. The aim of the thesis is to produce SrTiO3 from TiO2 green body using the rHLPD method. In addition, the production of SrTiO3-TiO2 ceramic composites with as high mole conversion and relative density values as possible was targeted with different parameters such as reaction temperature, reaction time, and addition of NaOH to the solution. As a result of the studies carried out with different parameters, SrTiO3-TiO2 ceramic composites with a final relative density value of approximately 81 % were produced. Consequently, in the XRD and Rietveld analysis, it was seen that the main phase was SrTiO3. In addition, there was a TiO2 phase in the structure. Finally, the SrCO3 phase was not detected in the structure.

Stronsiyum titanat seramikler, ABO3 formülüne sahip perovskit malzemeler sınıfına ait bir malzemedir. Stronsiyum titanat seramikler, yüksek dielektrik sabiti, yüksek kimyasal kararlılığı gibi özelliklerinden dolayı elektroseramik endüstrisi gibi birçok alanda tercih edilen bir malzeme olmuştur ve genellikle katı hal sentezi, hidrotermal yöntem ve sol jel gibi üretim süreçleriyle üretilmektedir. Stronsiyum titanat seramikleri, literatürde çok farklı sıcaklık, süre ve başlangıç malzemeleri ile üretilmiştir. Seramik ürünler için, toz üretim aşamasının ardından sinterleme adımı gerekmektedir. Uzun yıllardır kullanılan geleneksel sinterleme yöntemleri, üretilen tozların yüksek sıcaklık ile yoğunlaştırılmasıdır. Yeni geliştirilen düşük sıcaklık yoğunlaştırma yöntemleri ise nispeten daha düşük sıcaklıklarda sinterleme işleminin gerçekleştirilmesi sağlamaktadır. Bu amaçla bu tezde toz üretim ve sinterleme adımını tek bir işlemde birleştiren rHLPD yöntemi kullanılarak farklı reaksiyon sıcaklıkları ve reaksiyon sürelerinde SrTiO3- TiO2 seramik kompozitleri üretilmiştir. Yapılan çalışmalarda reaksiyon sıcaklığı, süresi ve hidrotermal reaksiyon için hazırlanan çözeltiye mineralizer eklenmesinin son ürün üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bununla birlikte, tezin amacı rHLPD yöntemi kullanılarak TiO2 yeşil gövdesinden SrTiO3 üretimini gerçekleştirmektir. Reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi ve çözeltiye eklenen NaOH konsantrasyonu gibi farklı parametreler ile olabildiğince yüksek mol dönüşümüne ve relatif yoğunluk değerine sahip SrTiO3-TiO2 seramik kompozitlerinin üretilmesidir. Farklı parametreler ile gerçekleştirilen çalışmalar sonucu, yaklaşık %81 final relatif yoğunluk değerine sahip SrTiO3-TiO2 seramik kompozitleri üretilmiştir. Yapılan XRD ve Rietveld analizleri sonucunda ana fazın SrTiO3 olduğu görülmüştür. Bunun yanında yapıda TiO2 fazı gözlemlenmiş olup, SrCO3 fazı yapı içinde tespit edilmemiştir.