In the present study, grain growth behavior of $0.95Na_{1/2}Bi_{1/2}TiO_{3}-0.05BaTiO_{3}$ (NBT-5BT) has been investigated with respect to grain shapes and compared with computer simulation. The powder compacts of NBT-5BT were sintered at 1000, 1100, and 1200℃ for various times. All the grains had both flat {100}-faces and rounded edges; the corresponding equilibrium shape was a round-edged cube with flat {100}-faces. The grain growth behavior in the initial stage of sintering was similar to normal grain growth behavior (pseudo-NGG). It could be inferred that pseudo-NGG occurred due to high growth rate at rounded edges and relatively low step free energies of faceted planes. Abnormal grains were not observed in the specimens sintered at 1100℃ and 1200℃ for 1 h to 12 h. However, abnormal grains appeared when sintered at 1100℃ and 1200℃ for 24 h.
Computer simulation showed three types of grain size distribution depending on step free energy. When the step free energy was zero and the growth occurred via diffusion control, the distribution was normal for all of the calculation time steps (CTS). Bimodal grain size distribution resulted when the step free energy was relatively high and the growth occurred via 2-dimensional nucleation and growth. In the case of relatively low step free energy, however, the size distribution showed two humps with a valley at low CTS and became abnormal with two separate distributions at high CTS. In the measured size distribution of NBT-5BT, a valley was also observed. This agreement between the measured and simulated distribution suggest that the grain growth in NBT-5BT is governed by the growth of facet planes which would occur via 2-dimansional nucleation and growth.
$0.95Na_{1/2}Bi_{1/2}TiO_{3}-0.05BaTiO_{3}$ (NBT-5BT) 계의 입자 모양을 살펴보고 입자성장 거동에 대해 연구하였다. 또한 실제 NBT-5BT 계의 입자성장 양상을 좀 더 이해하고자 전산모사 실험을 하였고 결과를 비교해 보았다. NBT-5BT 계는 {100}면이 flat한 round-edged cube 형태의 평형입자모양을 갖는다. 1100℃와 1200℃ 모두 12 시간까지 열처리한 시편의 입자크기 분포도에서 비정상 입자가 나타나지 않았고 정상 입자성장과 유사한 양상을 보였다. 이것은 round한 edge에서의 빠른 성장속도와 flat한 면의 낮은 step free 에너지로 인해 정상 입자성장과 매우 유사한 입자성장 양상 (pseudo-NGG)을 보이는 것으로 판단된다. 24 시간 열처리한 시편의 경우 정상분포에서 벗어나는 비정상 입자가 관찰되었다. 전산모사 결과 step free 에너지가 “0”이고 확산지배기구에 입자성장이 이루어질 경우에는 모든 Calculation Time Step (CTS)에서 정상 분포를 보이면서 정상 입자성장 거동을 보였고, 상대적으로 높은 step free 에너지를 갖고 2 차원 핵생성에 의해서 입자성장을 할 경우에는 전형적인 비정상 입자성장 양상인 bimodal의 입자크기 분포를 보였다. 그러나, 상대적으로 낮은 step free 에너지를 갖고 2 차원 핵생성에 의해서 입자성장을 할 경우에는 높은 CTS에서 입자크기 분포도에서 비정상 입자가 관찰되었지만, 낮은 CTS에서는 비정상 입자가 나타나지 않았으나 두 개의 hump가 만나서 ‘valley’를 이루는 형태로 나타났다. NBT-5BT의 실제 측정된 입자크기 분포도에서도 valley가 관찰되었다. NBT-5BT 계는 정상 입자성장과 유사한 입자성장 양상을 보이지만 1100℃와 1200℃에서 24 시간 열처리 했을 경우 비정상 입자가 나타나고 소결 초기에 입자크기 분포도에 valley가 나타나는 것으로 보아 facet한 계면의 존재로 인한 2차원 핵생성 기구에 의해 입자성장이 지배적인 것으로 판단된다.
