سرامیک های پیزوالکتریک
مقدمه :
پیزو الکتریک ها نوعی سرامیک هستند که با اعمال اختلاف ولتاژهای معمولی به دو سر آن طول آن از مرتبه یک آنگستروم تغییر می کند.از این مواد برای جابجایی های بسیار دقیق استفاده می شود.
پیروالکتریک (Pb(ZrxTi1-x)O3))
پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته (ایجاد شده توسط پلاریزاسیون) توسط یک ماده بر اثر اعمال تنش. در مورد چنین ماده‌ای گفته میشود که «رفتار پیزوالکتریک» دارد.
پیزوالکتریک معکوس
زمانی که یک میدان الکتریکی به یک کریستال پیزوالکتریک اعمال شود، تحت کرنش قرار میگیرد که اصطلاحا آن را رفتار پیزوالکتریک معکوس می‌نامند.
شرایط پیزوالکتریک
شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است.
مثال‌هایی از مواد پیزوالکتریک
ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات (PZT) با ساختار پروسکایت
ZnO
کوارتز
کاربردها
یکی از کاربردهای مستقیم اثر پیزوالکتریک در تولید امواج در فرستنده‌های اولتراسونیک در سونوگرافی است.
سرامیکهای پیزوالکتریک وکاربردهای آن
پیزوالکتریکها گروهی از سرامیکهای پیشرفته هستند که کاربردهای وسیعی در صنایع الکترونیک، صنایع مصرفی، پزشکی و صنایع نظامی دارند. کاربرد سنسورهای پیزوالکتریکی در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی، دارویی، لوازم برقی و خودرو در حال پیشرفت است. در زیر گزارشی از کاربرد، مقیاس بازار و مسائل فنی این مواد نقل شده و سپس تحلیلی راجع به وضعیت این تکنولوژی در کشور ارائه شده است:
پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال 1892 کشف گردید و از واژه یونانی Piezin به معنی "فشار" مشتق میشود. اعمال فشار به برخی کریستالها مانند کوارتز یا برخی سرامیکها الکتریسیته تولید میکند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستالها باعث جابهجایی دو قطبیهای ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی میشود. آرایش یونهای مثبت و منفی، تعیینکننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است. به همین دلیل اثر پیزوالکتریسیته یا ایجاد جریان الکتریسیته القایی توسط وارد کردن فشار، در مواد کریستالی ا?نیزوتروپ رخ میدهد؛ یعنی در آن دسته از کریستالهایی که مرکز تقارن ندارند. زیرا در کریستالهای متقارن هیچ ترکیبی از تنشهای یکنواخت نمیتواند سبب جدا شدن بارهای الکتریکی شود. [1]
اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار میگیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید میشود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار میگیرد تغییر شکل مکانیکی مییابد. میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد. در ساختمان این سرامیکها موادی نظیر: اکسید سرب، تیتانیا، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبتهای مختلف با هم مخلوط میشوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات میتوان پیزوسرامیکها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد.
کاربرد
موادی که فشار را به انرژی الکتریکی و انرژی الکتریکی را به انرژی حرکتی تبدیل میکنند در موارد مختلفی از جمله در مبدلهای پیزوالکتریک استفاده میشوند. حسگرهای (Sensor) کوچک، کم خرج، حساس و کارآمد با رشد قابل توجهی امروزه در صنعت خودرو اهمیت یافتهاند. مدلهای جدید خودرو بین 18 تا 30 سنسور دارند که شامل سنسورهای فشار برای کنترل میزان فشار وارده به صندلیها، سنسورهای دما برای کنترل میزان گرما و شرایط جوی، سنسورهای جریان برای ورودی هوای خودرو و سنسورهای شتاب برای سیستم ضد قفل ترمزی(ABS) میباشند. در صنایع پیشرفته نیز به طور وسیعی از این سنسورها استفاده میشود؛ مثلاً صنایع نفت، غذایی و آشامیدنی و دارویی همگی از این سنسورها برای کنترل سطح جریان سیال (flow and level monitoring) استفاده میکنند. سنسورهای جریان سیال و سطح و مبدلهای دوپلر، تخلیه اتوماتیک مخازن نفت و خطوط لوله را کنترل میکنند. [2]
صنایع دیگر از سنسورها برای تستهای غیر مخرب استفاده میکنند؛ مانند تستهای غیر مخرب تیرهای فولادی، خطوط راهآهن و بدنه هواپیما. در بخش مراقبتهای پزشکی نیز از پیزوسرامیکها در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مونیتورهای fetal heart استفاده میشود که هزینه پایین و ایمنی بالا نشان کارایی این فراورده است. کاربردهای دیگر، شامل تفنگهای لیزری برای درمان آب مروارید چشم، چاقوهای کوچک جراحی و کالبدشکافی، متهها و پاککننده‌های دندانی، پمپهای IV و پمپهای قلب میشود. مبدلهای کوچک که در مجاری خون جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب بیمار قرار داده میشوند نیز از سنسورهای پیزوالکتریک ساخته میشوند.
تولیدکنندگان فراوردههای مصرفی نیز از استفاده کنندگان سنسورها هستند. در ماشینهای لباسشویی از سه سنسور برای کنترل میزان بار و میزان سطح آب و کنترل چرخش استفاده میشود. سنسورهای پیروالکتریکی (تولید بار الکتریکی در سطح یک بلور در اثر گرما را پیروالکتریسیته گویند که تمامی مواد پیروالکتریک، پیزوالکتریک نیز هستند) در فرهای مایکروویو شرایط غذا را کنترل میکنند و در یخچالها از سنسورهای برفک استفاده میشود. به علاوه از آنها در ترانسفورماتورهای اولتراسونیک در مرطوب کنندهها، اتمایزرها، فندکهای اجاق گاز، زنگ خطر آژیرهای خطر، دستگاه ناقل صدا در گیتارهای اکوستیک و ضبط صوتهای دارای دیسک فشرده نیز استفاده میشود. [3]
یک استفاده مهم سرامیک پیزوالکتریک در ایجاد و دریافت کردن امواج صوتی است. گستره کاربرد این مواد از ابزارها و تجهیزات اولتراسونیکی برای عمقیابی در دریا و پیدا کردن محل تجمع ماهیها تا تجهیزات ردیاب زیردریاییها میباشد. مثلاً دردماغه زیردریایی(Trident) از 5 تن مواد پیزوسرامیک که همگی به صورت دیسکهایی با قطر 4 اینچ و ضخامت 0.25 اینچ هستند استفاده شده است که این تکنولوژی، زیردریایی را به حرکت سریع، آرام و بی صدا در میان آب قادر میسازد. کاربردهای دیگر اثر پیزوالکترسیته در برشکاری و جوشکاری و عیبیابی در داخل قطعات فلزی صنعتی است. جدیدترین کاربردهای این مواد در پرینترهای ink-jet است. از مواد فعالکننده نویز تا ایستگاههای فضایی (مثلRaytheon)، پیزوسرامیکها اجزا کلیدی مورد نیاز برای ساخت قطعات پیشرفته و سیستمهای کارآمد را تشکیل خواهند داد.
فرایند تولید
فرایند ساخت پیزوسرامیکها شامل 16 مرحله است که با وزن کردن، مخلوط کردن و آسیاب کردن موادی مانند زیرکونیا، اکسید سرب، تیتانیا، نیوبیا و اکسید استرانسیم و غیره شروع میشوند. سپس مواد مخلوط شده کلسینه شده و واکنش انجام میدهند تا ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شود. ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شده که دارای مقداری رطوبت است به اندازه ذرات خیلی ریز آسیاب میشود. سپس چسبها و روانسازها افزوده میشوند و ماده به دستآمده در اسپریدرایر خشک میشود تا یک پودر آماده برای تراکم حاصل شود. [4]
بعد از آماده سازی مواد اولیه، فرایندی که برای شکل دادن سرامیک به کار گرفته میشود، استفاده از پرس خشک یا ایزواستاتیک با فشار اعمالی بین 6 تا 100 تن است. اجزا شکل داده شده در دمای 1300 درجه فارنهایت در شرایط کنترلشده اتمسفری پخت بیسکویت میشوند تا چسبها و روانکنندههای لازم برای عمل شکلدهی در این مرحله سوخته و خارج شود. قطعات بیسکویت در بوتههای مخصوص "آلومینا بالا" قرار داده شده و برای پخت در دمای بالا در داخل کوره قرار داده میشوند. کوره الکتریکی تا حدود دمای 2300 درجه فانهایت گرم میشود و به مدت سه ساعت در این دما نگه داشته میشود (قطعات سرامیکی برای کنترل تبخیر احتمالی اکسید سرب در خلال فرایند پخت در دمای بالا در بوتههای آلومینا بالا قرار داده میشوند).
سپس سرامیک پختهشده با دقت زیادی به اندازههای معین ماشینکاری میشود. بعد از مرحله اندازهبندی، قطعات سرامیک متالیزه میشود؛ یعنی یک پوشش فلزی روی سطح آنها نشانده میشود. این کار به کمک تکنیک "silk screening" انجام میشود و از الکترودهای نقره، طلا، نیکل یا پلاتینیوم-پالادیوم استفاده میشود. الکترودهای متالیزه شده روی یک شبکه توری شکل که از سیمهای فلزی نسوز تشکیل شده است قرار گرفته و به داخل کوره حمل میشوند و در دمایی در حدود 700 درجه سانتیگراد پخته میشوند.
بعد از این مرحله، نوبت به عمل قطبیکردن قطعههای سرامیکی میرسد. در عمل قطبیکردن ولتاژ جریان مستقیم(DC) به سرامیکی که در یک روغن دیالکتریک گرمشده و مقاوم قرار دارد، اعمال میشود تا دوقطبیهای آن در یک سمت جهتگیری کنند. قطعات سرامیکی قطبیشده اکنون پیزوالکتریک هستند. بعد از قطبی کردن، نوبت به کنترل کیفی خواص میرسد. قطعات جهت تضمین و تامین کردن خواص الکتریکی متناسب با نوع کاربردشان، آزمایش و بررسی میشوند. قطعات آزموده شده آماده بستهبندی و ارسال و استفاده هستند.
مقیاس بازار
بهعلت کاربردهای وسیع پیزوسرامیکها میزان عرضه آنها بسیار وسیع است. از نظر جهانی بازار این مواد تقریباً 11 میلیارد دلار است و در ایالات متحده در حدود 1.5 میلیارد دلار تخمین زده میشود. کارشناسان صنعت پیشبینی میکنند که بازار این مواد از رشدی به میزان 20 تا 25 درصد در سه تا پنج سال آینده برخوردار خواهد بود. بهعنوان مثال تا پنج سال پیش صنعت خودرو مصرف‌کننده عمدهای برای پیزوسرامیک نبود اما امروز در خودروهای جدید بالغ بر 30 قطعه پیزوسرامیکی استفاده میشود.
تحلیل:
اگر قبول کنیم تولید محصولات سرامیکهای پیشرفته امری ضروری است (رجوع شود به سخنان دکتر مارقوسیان)، طبیعتاً باید با راهکارهای مشخص و با تعیین اولویتها پا به عرصه این تکنولوژی گذاشت. با توجه به اینکه سرامیکهای پیشرفته شامل چند شاخه است، ابتدا باید وارد شاخههایی شد که علاوه بر قابل دستیابی بودن دانش فنی و سهولت در انتقال تکنولوژی از بازار بزرگی در آینده برخوردار باشند.
پیزوالکتریکها همچنان که در متن آمده است حدود 17 درصد بازار سرامیکهای پیشرفته را به خود اختصاص دادهاند ضمن اینکه دارای رشد بازار بسیار خوبی نیز میباشند. در حال حاضر به صورت محدود در صنایع الکترونیک شیراز این محصول تولید میشود که نشان دهنده وجود دانش فنی و فناوری تولید هر چند به صورت محدود در کشور است. بنابراین با توجه به زمینههای موجود و بازار رو به رشد این تکنولوژی، پرداختن به آن در کشور دارای اولویت به نظر میرسد. [5]
بسیاری از دستگاه های اکترونیکی مهمی که امروزه توسط مردم مورد استفاده قرار می گیرند بدون وجود سرامیک ها موجود نخواهند بود.
محققین، به رهبری پال مورالت از موسسه ی تکنولوژی فدرال سوئیس، محدوده ی مواد سرامیکی را مرور کرده و نقش حیاتی را که مواد پیزوالکتریک در پیشرفت تکنولوژی بازی می کنند را مورد بررسی قرار دادند.
مواد پیزوالکتریک، مواد سرامیکی هستند که نقش ویژه ای را در ارتباطات راه دور و تصویر برداری فراصوت بازی می کنند چرا که این قابلیت را دارند که سیگنال های الکتریکی را به شکل کارآمدی به نوسانات مکانیکی تبدیل نمایند و برعکس.
پیزوالکتریسیته به توانایی برخی از مواد، عمدتا کریستال ها و سرامیک ها، برمی گردد که در هنگام فشردگی می توانند الکتریسیته تولید نمایند. در طی بیست سال گذشته، سیستم های میکروالکترومکانیکی (MESM) تبدیل به یک تکنولوژی تثبیت شده با کاربردهای فراوان شده اند.
همانگونه که می دانید سرامیک ها و صنایع مرتبط با آن بسیار محدوده گسترده ای دارند و از مواد سفالی گرفته تا ترکیب سرامیک ها با فلزات و عناصر فلزی که برای بهبود خواص با یکدیگر ترکیب می شوند و سرامیک های الکتریکی، بیوسرامیک های مهندسی این محدوده ادامه دارد. الیاف سرامیکی یکی از مواد مهم در صنایع مختلف محسوب می شود و اکنون مشکل موجود هزینه بالای تولید این الیاف است که قیمت آن را بالا می برد. سرامیک های پیشرفته کاربردهای زیادی در صنایع تولیدی، ژنراتورهای برق، هوافضا، حمل و نقل، صنایع نظامی و هم چنین به عنوان سپرهای محافظتی از بدن دارند. از دهه 1990 و با شروع رشد در صنایع سرامیک های پیشرفته محصولات جدید زیادی به بازار آمده اند ولی می بایست کارهای بعدی برای کاهش قیمت بر روی آنها انجام شود تا با قیمت فلزات قابل مقایسه باشند. سرمایه گذاری بخش خصوصی با توجه به زمان بازگشت سرمایه این مواد چندان نمی تواند قابل توجیه باشد. سرامیک ها می توانند جزء موادی باشند که کارکرد سوخت و عملکرد آن را در موتورها بالا برده، مقاومت سایشی ترکیبات را افزایش دهند، وزن وسایل نقلیه و هواپیماها را کاهش داده و باعث افزایش راندمان در انواع ماشین آلات گردند.
خواص سرامیک ها :
مواد سرامیکی خواص ویژه ای از خود نشان می دهند به طوری که این امر موجب می گردد که جایگزین دیگری با مواد دیگر نداشته باشد وبنابراین نقش ویژه ای در تهیه انواع بیشماری از ادوات و تجهیزات بازی می کند. برای ایجاد یک خواص خوب و مناسب ودر نتیجه بکارگیری صحیح مواد سرامیکی دانستن اطلاعات درمورد رابطه بین خواص و ریزساختار مواد سرامیکی ضروری است. ریزساختار مواد بستگی زیادی به فرآیند تولید و روش تهیه دارد. سرامیک های پیشرفته امروز کاربردهای بسیار فراوانی دارند و امروزه سعی بر تولید مواد سرامیکی است که به شکل کامل تولید شده و بعد از تولید نیاز به ماشین کاری و در نتیجه تحمیل هزینه اضافی به سیستم حذف گردد.
مواد جدیدی که امروزه اهمیت ویژه ای برای تحقیق و توسعه این مواد در نظر گرفته می شوند در زمینه سرامیک به شرح زیر می باشند :
بیوسرامیک ها که تاثیر به سزایی در رشد صنعت پزشکی و بهبود وضعیت سلامتی جوامع انسانی داشته اند، مواد ساینده نظیر ابزار برش و چرخ های ساینده که کاربری آن در صنایع کاربردی فلزات و ... است. سرامیک های سخت و بسیار سخت (hard and Super hard ceramics ) موادی هستند که مطالعه بر روی آن ها بسیار پر اهمیت و البته هزینه بر است.
[1] Kochervinskii, V (July 2003). "Piezoelectricity in Crystallizing Ferroelectric Polymers". Crystallography Reports 48 (no. 4): 649–675
[2] Lakes, Roderic. "Electrical Properties of Bone: A Review". University of Wisconsin-Madison
[3] Becker, Robert O; Marino, Andrew A. "Chapter 4: Electrical Properties of Biological Tissue (Piezoelectricity)". Electromagnetism & Life. Albany, New York: State University of New York Press. ISBN 0-87395-560-9.
[4] Pollack, S.R; Korostoff, E., Starkebaum, W. y Lannicone, W (1979). ed. Brighton, C.T., Black, J. and Pollack, S.R.. ed.. "Micro-electrical studies of stress-generated potentials in bone.". Electrical Properties of Bone and Cartilage (New York City: Grune & Stratton, Inc)
[5] Fotiadis, D.I; Foutsitzi, G., and Massalas, C.V (1999). "Wave propagation modeling in human long bones". Acta Mechanica 137: 65–81