مقاله 54 : اثر پیزو الکتریک در سرامیک ها

[nargol68]

مقدمه

اثر پیزو الکتریک ، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. تولیداختلاف پتانسیل الکتریکی در برخیبلورهای نارسانامثل کوارتز تحت کشش یا فشار. علامت پتانسیلهای دو وجه بلور در دو حالت فشردگی یا کشیدگی معکوس هم ارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. اثر معکوس پیزو الکتریک نیز در این معنی تغییر شکل آنها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو وجه روبروی آنهاست. اگر دو وجه روبرویی در یک هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکترکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می‌دهد و به ارتعاش در می‌آید. شرط ضروري براي پيزوالکتريک بودن يک کريستال، عدم وجود تقارن مرکزي در ساختار کريستالي است.
ترکيبات سرب-زيرکنات-تيتانات PZT باساختار پروسکايت، ZnO و کوارتز مثالهايي از مواد پيزوالکتريک هستند.


سیر تحولی و رشد
اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی موادمی‌باشد که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مکانیکی است، این اثر را برادران کوری ،پی‌یر و ژاک کوری، در دهه 1880 کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز می‌دهند مواد پیزو الکتریکی نامیده می‌شوند. اثر پیزوالکترکی در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها ،سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده می‌شوند. فعالیت پیزوالکتریکی در اکسیدهای نسوز بس بلوردر تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامدتیتانات زیرکونات سرب (PbT) کشف شد.
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک

وقتی ماده‌ای پیزو الکترکی تحت تأثیرمکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار می‌گیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می‌شود. این بار به تولیدمیدان الکتریکی و پتانسیل متناظر با آن می‌انجامد. برعکس ، در پی اعمال میدانی الکتریکی ، با مقادیر گرانش مکانیکی روبرو می‌شویم. اثر اول به اثر سیستم و اثر دوم به اثر معکوس موسوم است. جهت گیری (قطعیت) و مقادیر بار و پتانسیل ایجاد شده اثرمستقیم ، به جهت و بزرگی نیروی اعمال شده نیست به بعضی جهتهای بلور شناختی ماده بستگی دارد.
وقتی نیروی مکانیکی ناپدید می‌شود، بار تولید شده نیز از بین می‌رود و وقتی جهت کرنش وارونه شود قطبیت نیز وارونه می‌شود. بدین ترتیب در پاسخ به کرنش نوسان کننده با ولتاژی نوسانی روبرو می‌شویم که جهت و اندازه کرنشی ایجاد شده از طریق اثر معکوس نیز بستگی به جهت و اندازه میدان الکتریکی اعمال شده دارد. شدت اثرهای مستقیم و معکوس در هر ماده‌ای با ثابت پیزوالکتریکی آنdمشخصمی‌شود. نسخه دیگر شدت این اثر برای هر ماده ، ثابت جفت شدگی الکترومکانیکیkاست. مربع این ثابت برابر است با کسری از انرژی مکانیکی که می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود، یا نسبت انرژِی الکتریکی به انرژی مکانیکی.
کاربرد اثر مستقیم پیزو الکتریک

اثر مستقیم در وسایل راه اندازی و اثر غیرمستقیم در دریاچه‌ها مورد بهره برداری قرار می‌گیرد. به عنوان مثال ، از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازیامواج صوتی در هوا (دربلندگوها ،میکروفونها) یا در آب استفاده می‌شود. درسونارها ، ماهی یابها و عمق یابها از تأخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده آنرا برای اندازه گیری فاصله تا جسم ورود استفاده می‌کنند. این روش همچنین با استفاده ازامواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از 20KHz )در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیرتخریبی مواد در تشخیص شکستگیهای و نقصهای داخلی نیز بکار می‌رود.
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک
به علت تضعیف اندک امواجفراصوتی در بیشتر مواد جامدات و مایعات ، می‌توان از این امواج برای کاوش در اعماق بسیاری از مواد استفاده کرد. از امواج فراصوتی برابر تمییز کردن و صیقل دادن نیزبهره گیری می‌شود. از تشدید بلورهای پیزو الکتریک در حال ارتعاش ، برای کنترل دقیق بسامد در رادیوها و ساعتها هم استفاده می‌شود. امواج فراصوتی سطحی در موادپیزوالکتریک را درپردازنده‌های سیگنال قیاسی، مانند صافیهای نوار گذار و صافیهای تراکم تپ ، بکار می‌گیرند. مواد پیزو الکتریک ، همچنین در شتاب سنجها و وسایل استقرار دقیق مولدهای شب در فندکهای اجاق گاز مورد استفاده قرارمی‌گیرند.
کاربرد پیزوالکتریک‌ها رده‌های مختلف است:

1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتاب‌سنج ...)
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسک‌های صوتی، میکروفون، بلندگو وزنگ اخبار و ...)
3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک)
4- در تولید ولتاژ وجرقه با ولتاژ بالا (جرقه‌زن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی وخانگی،
بیوسنسورها و....)



وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما

موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارنداثرات پیزو الکتریک (پیدایش بارا لکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک(تغییر جهت دو قطبی بر اثر میدان الکتریکی) نیز از خود بروز می‌دهند. چون گشتاور دوقطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیریمتفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزه‌هایی (ناحیه‌هایی که در آنها تمام دوقطبیها در جهت خاصی سمتگیری می‌کنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهندشد. موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند معمولا در دماهایی به ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر می‌کنند. این دما رانقطه کوریمی‌نامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش می‌یابد، به شدت اثر پیزو الکتریک می‌یابد.
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور

اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری ازمواد ، از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده می‌شود. کوارتزیکی از متداولترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی بسیار خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آنd = 2.3X10-12و ثابت جفت شدگی آن k = 0 , 1 است. سال 1958 ،شاهد ظهور فرآیندی صنعتی برای ساختن بلورهای کوارتز بود. در موادی که تک بلورهستند، گشتاورهای دو قطبی که به جهتهای بلوری وابسته‌اند جهات مشخصی دارند.

در مواد بس ‌دانه‌ای (یا بیس بلور) ، محورهای بلور شناختی دانه‌های متفاوت بطور گسترده‌ای جهت دیگری شده است و دو قطبیها اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند،مگر اینکه با اعمال میدانی الکتریکی برای همسو کردن دو قطبیها قطبیتی در ماده ایجادشده باشد. عمل ایجاد قطبیت را همچنین می‌توان با اعمال میدان الکتریکی در دمایی بالاتر از نقطه کوری و سرد کردن مجدد و رساندن آن به نقطه کوری تا در جهت خاصی همسوشوند.

 

[nargol68]

فرآيند توليد سراميک هاي پيزوالکتريک
توليد اغلب سراميک هاي پيزوالکتريک توده اي با تهيه ي پودر آنها شروع مي شود. پودر توليدي سپس در اندازه و شکل مورد دلخواه پرس مي شود. شکل خام توليدي خشک و فرآوري گشته و از لحاظ مکانيکي سخت تر و پر دانسيته تر مي شود. مهمترين فرآيندهايي که بر روي خواص و ويژگي هاي محصول توليدي اثر مي گذارند شامل: فرايند توليد پودر، فرآيند خشک کردن پودر و زينترينگ مي شوند. مراحل بعدي انجام شده شامل: ماشين کاري، الکترونيک و قطب دار کردن (Poling) مي شوند (قطب دار کردن يعني: استفاده از يک ميدان DC جريان براي جهت دهي به دي پل ها و القاي خاصيت پيزوالکتريکي است) معمولي ترين روش براي تهيه ي پودر، مخلوط کردن اکسيدهاي مورد نيازاست. در اين فرآيند، پودر از مخلوط کردن نسبت هاي استوکيومتري مناسب از اکسيدهاي تشکيل دهنده ي پيزوالکتريک بدست مي آيد.
براي نمونه براي توليد (Lead Zirconiate titanate) PZT ، اکسيد سرب، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيم، ترکيبات اصلي هستند. براساس کاربرد و استفاده اي که از پيزو الکتريک توليدي مي شود، انواع متنوعي از عناصر دوپ شونده نيز به مخلوط افزوده مي شود. که اين عناصر دوپ شده موجب ايجاد خواص مورد نظر ما مي شوند. سراميک هاي PZT به ندرت بدون استفاده از افزودني هاي دوپ شونده توليد مي شوند. استفاده از عناصر دوپ شونده موجب اصلاح برخي از خواص اين نوع سراميک ها مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي A قرار مي گيرند باعث کاهش ضريب اتلاف (dissipationfactor) شده که اين مسأله بر روي توليد گرما تأثير مي گذارد، اما باعث کاهش ضرايب پيزوالکتريسيته (Piezoelectric coefficients) مي شود. به همين دليل پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها بيشتر در کاربردهاي التراسونيک و با فرکانس بالا استفاده مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي B قرار مي گيرند، باعث افزايش ضرايب پيزوالکتريسيته مي شوند اما همچنين موجب افزايش ثابت دي الکتريک شده که اين مسأله زيان آور است. پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها دوپ شونده، به عنوان فعال کننده در کنترل کننده صدا- لرزش (control vibration and noise) ، عضله هاي خم کننده (benders)، کاربردهاي موقعيت يابي نوري (optical positioning application) و ... استفاده مي شوند.
مخلوط نمودن پودر اکسيدهاي مورد استفاده در توليد سراميک هاي پيزوالکتريک يک به دو روش انجام مي شود که در زير بيان شده اند.
1-روش سايش خشک با بال ميل
2-روش سايش تر با بال ميل
هر دو روش تر و خشک داراي مزايا و معايبي هستند. روش سايش تر با بال ميل سريع تر از روش خشک است. به هر حال عيب روش تر اضافه شدن مرحله اي براي جداسازي مايع از پودر توليدي است. متداول ترين روش توليد PZT ها از سايش تر با بال ميل بهره مي گيرد. در روش سايش تر پودر پودر اين سراميک ها با بال ميل، از اتانول به عنوان مايع و از زيرکونياي تکليس شده به عنوان محيط سايش استفاده مي شود. البته ممکن است به جاي يک آسياب معمولي از يک آسياب ارتعاشي (Vibratory mill) استفاده شود. اين فرآيند که توسط Herner ابداع شده خطر آلودگي پودر با اجزاي جدا شده از گلوله ها و محيط سايش را کاهش مي دهد همچنين محيط زيرکونيا به خاطر کاهش ريسک آلودگي استفاده مي شود.
البته مرحله ي تکليس نيز يکي از مراحل تعيين کننده در توليد سراميک هاي PZT است. اين مرحله موجب کامل شدن فرآيند تبلور کشته که فاز پرسکيت در اين مرحله تشکيل مي شود. اهداف اين مرحله خارج شدن مواد آلي و فرار از مخلوط است و واکنش اکسيدهاي موجود در مخلوط براي ايجاد ترکيبات فازي مناسب قبل از فرآيند توليد قطعه است. همچنين از اهداف ديگر اين مرحله کاهش حجم شرپنکيج و يکنواختي بهتر در طي زينترينگ و پس از آن است. پس از تکليس، يک ماده ي چسبنده به پودر افزوده مي شود و مخلوط شکل دهي مي شود. شکل دهي قطعات ساده با روش پرس خشک در قالب و براي بدنه هاي پيچيده تر، روش هاي اکستروژن و ريخته گري دوغابي استفاده مي شود. پس از آن اشکال توليدي زينترينگ مي شود ( در واقع بوسيله يک آون مواد چسبنده ي آن خارج شده و دنس مي شود.)
مشکل عمده در زينترينگ سراميک هاي PZT، فراريت Pbo در دماي 800 درجه سانتي گراد است براي به حداقل رساندن اين مشکل، نمونه هاي PZT در حضور يک منبع سرب مانند PbZro3 زينتر مي شوند و در داخل يک بوته ي ذوب بسته حرارت دهي مي شوند. اشباع شدن اتمسفر محل زينتر کردن با PbO باعث به حداقل رسيدن اتلاف سرب از بدنه هاي PZT مي شود. در اين شرايط زينترينگ مي تواند در دماي متنوعي بين 1200-1300 درجه سانتيگراد انجام شود. با وجود اين تدابير پيش بيني شده معمولاً اتلاف 2-3% در مقدار سرب اوليه صورت مي گيرد.
پس از برش و ماشين کاري قطعه به شکل مناسب، الکترودها تعبيه مي شود و يک ميدان DC براي جهت دهي به قلمرو دي پل هاي داخل سراميک پلي کريستال اعمال مي شود. قطب دار کردن بوسيله ي جريان DC مي تواند در دماي اتاق و يا در دماهاي بالاتر انجام شود. البته اين مسأله به ماده و ترکيب سراميک بستگي دارد.
فرايند پلاريزاسيون تنها اندکي دي پل هاي موجود در سراميک پلي کريستال را هم جهت مي کند و نتيجه ي پلاريزاسيون پلي کريستال کمتر از حالتي است که سراميک تک کريستال باشد. اين تکنيک توليد داراي ابهامات زيادي است البته تعداد زيادي از روش هاي توليد ديگر وجود دارد که سراميک هاي PZT با خواص و ريزساختار عالي توليد مي کنند. يک مشکل بوجود آمده در اين روش انحراف از حالت استوکيومتري است. اين مشکل اغلب به خاطر وجود ناخالصي در مواد اوليه و اتلاف سرب از بدنه در طي فرآيند زينترينگ بوجود مي آيد. که باعث تغيير خواص PZT در اثر جانشيني هاي ناخواسته، مي شود. به عنوان يک نتيجه، خواص الاستيک در اثر اين مشکل مي تواند 5% ، خواص پيزوالکتريک 10% و خواص ديک الکتريک 20 درصد ( با يک بچ ثابت) تغيير کنند.
همچنين، خواص دي الکتريک و پيزوالکتريک عمدتاً به علت عدم وجود يکنواختي کاهش پيدا مي کنند (اين عدم يکنواختي به خاطر هم زدن کم اتفاق مي افتد). اين مسأله هنگامي که اکسيدهاي اصلي هم گون باشد مهم مي باشد. در روش هاي توضيح داده شده در بالا، به هرحال، اجزاي اصلي به صورت محلول جامد در آمده و اين نشان داده شده است که مخلوط شدن هم گون محلول جامد هنگامي که اين مسأله امکان نداشته باشد، مشکل است.
روش هاي ديگر براي توليد سراميک هاي پيزوالکتريک به شرح زيراند:
1) فرآيند هيدروترمال (Hydrothermal Processing)
2) روش هاي هم رسوبي (coprecipitation methods)
همچنين اين نکته قابل توجه است که توسعه ي وسيعي در زمينه ي فرآيندهاي توليد پودر (Powder Processing)، شکل دهي و زينترينگ بوجود آمده است که نتيجه ي اين توسعه ها، افزايش کاربرد سراميک هاي پيزوالکتريک است.

 

[m4material]

سلام! ممنون بابت مقالتون! خیلی زحمت کشیدید
منتظر مقاله های بعدیتون هستیم!
باز هم ممنون!
این همون مقاله کذاییه دکتر جانی پور نیست؟؟؟؟؟؟
یا حق

 

[nargol68]

سلام! ممنون بابت مقالتون! خیلی زحمت کشیدید
منتظر مقاله های بعدیتون هستیم!
باز هم ممنون!
این همون مقاله کذاییه دکتر جانی پور نیست؟؟؟؟؟؟
یا حق

سلام.
کذایییییییییییییییی؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟
قسمتی از همون تحقیقی هست که به دکتر جانی پور دادم ولی دیگه از کذایی بودنش خبر ندارم

 

[m4material]

سلام.
کذایییییییییییییییی؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟
قسمتی از همون تحقیقی هست که به دکتر جانی پور دادم ولی دیگه از کذایی بودنش خبر ندارم

سلام دوباره !
منظورم از کذایی یعنی ذکر شده است!چون یادمه داشتید مطلب براش میگرفتید! همونطور که ما تو آخر دعاها داریم( افعل بی کذا و کذا)! من منظورم این بود ، نکنه باز چیزه دیگه ای دارید برداشت میکنید!چی فکر میکنید؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟

 

[nargol68]

سلام دوباره !
منظورم از کذایی یعنی ذکر شده است!چون یادمه داشتید مطلب براش میگرفتید! همونطور که ما تو آخر دعاها داریم( افعل بی کذا و کذا)! من منظورم این بود ، نکنه باز چیزه دیگه ای دارید برداشت میکنید!چی فکر میکنید؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟

چه فکری!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
دیدید که منم به شوخی گفتم .
هر وقت ناراحت شدم بهتون خیلی صریح میگم ناراحت شدم خوبه؟؟؟؟؟

 

[m4material]

چه فکری!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
دیدید که منم به شوخی گفتم .
هر وقت ناراحت شدم بهتون خیلی صریح میگم ناراحت شدم خوبه؟؟؟؟؟

تو صراحت شما من كه ديگه شك ندارم!!!

 

[nargol68]

تو صراحت شما من كه ديگه شك ندارم!!!

حالا این صراحت خوبه یا بد؟
خواهشا شما هم خیلی صریح جواب بدید

 

[Hamid1000]

ببخشید وسط خوش و بشتون مزاحم می شم!

این مطلب منبعی چیزی هم داره؟ نام نویسنده، مترجم، اسم مقاله اصلی یا....
ممکنه از بعضی قسمتاش استفاده کنم به همین دلیل باید منبع رو هم ذکر کنم!!

 

[m4material]

ببخشید وسط خوش و بشتون مزاحم می شم!

این مطلب منبعی چیزی هم داره؟ نام نویسنده، مترجم، اسم مقاله اصلی یا....
ممکنه از بعضی قسمتاش استفاده کنم به همین دلیل باید منبع رو هم ذکر کنم!!

نفرماييد اين حرفا رو!
اينو بايد نارگل خانم بگن! تا سه شنبه هفته بعد هم ايشون دردسترس نيستن!
تا اونموقع ان شاءا... ميان و جوابتونو ميدن!

حالا این صراحت خوبه یا بد؟
خواهشا شما هم خیلی صریح جواب بدید

اگه يطرفه قاضي نريد خيلي عاليه!!!
صريح بود؟

 

[nargol68]

نفرماييد اين حرفا رو!
اينو بايد نارگل خانم بگن! تا سه شنبه هفته بعد هم ايشون دردسترس نيستن!
تا اونموقع ان شاءا... ميان و جوابتونو ميدن!

اگه يطرفه قاضي نريد خيلي عاليه!!!
صريح بود؟

بله کاملا صریح

 

[Hamid1000]

خانم نارگل68 این مطلب منبع داشت آخر یا نه؟!!!

می بینی تو رو خدا. حالا یکی هم که پیدا شده می خواد از قانون کپی رایت پاسداری کنه جلو پاش سنگ می ندازن!!!!

 

[nargol68]

خانم نارگل68 این مطلب منبع داشت آخر یا نه؟!!!

می بینی تو رو خدا. حالا یکی هم که پیدا شده می خواد از قانون کپی رایت پاسداری کنه جلو پاش سنگ می ندازن!!!!

سلام .
همون دیروز تو page تون جواب دادم ولی انگار به اونجا سر نمیزنید.
فکر نمی کنم منبعی داشته باشه یعنی زمانی که داشتم سرچ میکردم انتهای مقاله منبعی ذکر نشده بود .
در هر صورت امیدوارم به دردتون بخوره.
موفق باشید

 

[pedram_bargh]

SALAM

SALAM

سلام! ممنون بابت مقالتون! خیلی زحمت کشیدید
منتظر مقاله های بعدیتون هستیم!
باز هم ممنون!
این همون مقاله کذاییه دکتر جانی پور نیست؟؟؟؟؟؟
یا حق

با تشکر از مقاله جالبتون. خیلی به کارم اومد . ممنون