بخشی از مقاله
چکیده
پودرهای PbO - 99/9% - ، ZrO2 - 99/9% - و TiO2 - 99/9% - با نسبت استوکیومتری مشخص برای ساخت ترکیب
Pb - Zr0.52Ti0.48 - O3 در آسیاب سیارهای مخلوط و همگن سازی شدند و در دمای 800 به مدت 2 ساعت مورد کلسیناسیون قرار گرفتند. به منظور افزایش خواص مکانیکی و تشکیل کامپوزیت PZT/ZnO ذرات ZnO با مقیاس نانو به میزان مختلف - 1 تا 5 درصد - به مواد کلسینه شده اضافه گردید. عملیات پخت بر روی قرصهای نانو کامپوزیتی در دمای 1100 به مدت 2 ساعت در اتمسفر معمولی صورت گرفت.
آنالیز فازی و ریزساختار از طریق XRD و SEM و دانسیته، استحکام شکست، چقرمگی شکست و سختی به ترتیب از طریق روش ارشمیدس، خمش سه نقطهای، اندازهگیری مستقیم طول ترک و روش ویکرز مورد ارزیابی قرار گرفتند. با افزودن ZnO درجه تراکم پذیری نمونه پیزوالکتریک بعد از پخت افزایش یافته و ریزساختار به سمت ریزدانگی تحول مییابد که افزایش خواص مکانیکی چون استحکام خمشی، چقرمگی و سختی را به دنبال دارد. خواص دی الکتریک و پیزوالکتریک نمونهها به ترتیب به کمک دستگاه LCR meter و d33metet اندازهگیری شد. برای کامپوزیت PZT/1vol%ZnO ثابت دیالکتریک و ضریب بار پیزوالکتریک کمی افزایش یافت.
-1مقدمه:
وجود خواص فروالکتریک و پیزوالکتریک برای سرامیکهایی چون تیتانات زیرکونات سرب - PZT - 1 سبب کاربردهای فراوان آنها در حوزههای الکترونیک، مهندسی پزشکی، ترموالکتریک و مکاترونیک شده است - Xiangqin,2012 - ، - - Chontira، که از جمله میتوان به مواردی چون مولدهای آلتراسونیک، ویبراتورهای فرکانس بالا، فعالکنندهها، سنسورها، خازنها، تشدیدکنندهها، سیستمهای میکروالکترومکانیک - MEMS - 2 و مبدلهای انرژی در حوزههای یاد شده اشاره نمود
برای ترکیبات نزدیک به مرز فازی مورفوتروپیک - MBP - 3 که در آن نسبت PbZrO3:PbTiO3 تقریبا 1:1 میباشد، خاصیت پیزوالکتریک و دیالکتریک قویتر میباشد اگرچه سرامیکهای PZT خواص الکتریکی فوقالعادهای دارند، اما از خواص مکانیکی چون استحکام شکست و تافنس پایین برخوردارند و برای مصرف در کاربردهای با تنشهای بالا دچار مشکل میشوند
در کارهای تحقیقاتی انجام شده از افزودنیهایی چون ، سیمان و… به عنوان فاز تقویت کننده استفاده شد که خواص مکانیکی بهبود یافته است هرچند ممکن است خواص الکتریکی کاهش یابد. هدف بهینه سازی در نوع، درصد و ترکیب مواد افزودنی برای افزایش حداکثر خواص مکانیکی و حداقل کاهش خواص الکتریکی می باشد.
مطابق نتایج بدستآمده، برای کامپوزیتهای PZT/Ag و PZT/PT خواص مکانیکی افزایش یافته ولی درصد این افزایش برای کامپوزیت PZT/Ag چشمگیرتر است و خواص الکتریکی برای هر دو کامپوزیت کمی کاهش یافت. ولی در هر صورت Ag و Pt هر دو از فلزات گران قیمت هستند و استفاده از آنها مقرون به صرفه نمیباشد. ZnO یکی از مواد سرامیک پیزوالکترک مهم است که دارای استحکام فشاری بالا میباشد و از آنجائیکه به صورت اکسید میباشد میتواند سازگاری خوبی با PZT داشته باشد و به صورت فاز ثانویه میتواند سبب افزایش خواص مکانیکی بدون کاهش خواص الکتریکی شود.
در این پژوهش تراکم پذیری، تغییرات فازی، ساختاری، خواص مکانیکی و خواص الکتریکی نانو کامپوزیتهای PZT/ZnO با درصدهای مختلف ZnO مورد بررسی قرار گرفته است.
-2روش تحقیق:
ابتدا پودرهای PbO - 99/9% - ، ZrO2 - 99/9% - و TiO2 - 99/9% - با نسبت استوکیومتری مشخص که در جدول - 1 - آورده شده است، برای رسیدن به ترکیب Pb - Zr0.52Ti0.48 - O3 توسط گلولههای زیرکونیا به عنوان عامل ساینده و الکل به عنوان سیال در آسیاب سیارهای به مدت 4 ساعت همگن سازی شدند. به دلیل تبخیر سرب در هنگام پخت، 0/2 درصد PbO اضافی به مواد اولیه اضافه شد.
دوغاب به دست آمده در دمای 100 به مدت 2 ساعت خشک شده و در دمای 800 به مدت 2 ساعت به منظور تشکیل PZT کلسینه شدند. برای تشکیل نانوکامپوزیت PZT/ZnO پودر PZT کلسینه شده با درصدهای مختلف %1 - ZnO، % 3 و - 5% با اندازه ذرات 80نانومتر مخلوط شده و مجدداً در آسیاب به مدت 2 ساعت همگن سازی گردید. پودر کامپوزیتی حاصله با مقادیر مشخصی از چسب مایع پلی ونیل الکل - PVA - 1 مخلوط شده و از الک با مش 250 m عبور داده شد.
نمونههای استوانهای شکل با قطر 10mm با استفاده از پرس تک محوری با فشار 200MPa حاصل شد، سپس با عملیات حرارتی در دمای 450 به مدت 2 ساعت مواد چسبی سوخته و خارج میشوند. برای به حداقل رساندن تبخیر سرب، نمونهها در داخل یک بوته آلومینایی در زیر یک لایه از پودر PbZrO3 قرار گرفته و عمل پخت در دمای 1100 به مدت 2 ساعت روی آنها انجام گرفت.
جدول - - 1 درصد وزنی و حجمی مواد اولیه برای ترکیب Pb - Zr 0.52 , Ti 0.48 - O3
جهت بررسی دمای مناسب برای انجام واکنش کلسیناسیون، آزمون آنالیز حرارتی افتراقی با استفاده از دستگاه BAHR Thermoanalyse - مدل - STA 504 در دمای 1200 C، تحت اتمسفر آرگون و نرخ گرمایش 10 C/min بر روی مخلوط پودری PZT همگن شده به وزن 10 میلیگرم انجام گرفت. چگالی نمونهها توسط روش ارشمیدس و میزان انقباض خطی از مقایسه ابعاد نمونهها قبل و بعد از زینترینگ مورد اندازهگیری قرار گرفتند.
ریزساختار و سطوح شکست نمونه ها بوسیله میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی - SEM - و ترکیب فازی آنها توسط پراش اشعه ایکس - XRD - مورد مطالعه قرار گرفت. برای مشاهده ریزساختار توسط SEM نمونههای زینتر شده صیقل کاری شده و با محلول %95 آب مقطر و %95 HCl - %5 و - %5 HF اچ شیمیایی گردیدند.
نمونههایی با ابعاد 4mm 4mm 40mm برای اندازهگیری استحکام شکست بوسیلهی روش خمش 3 نقطهای با نرخ بارگذاری 0/5 mm/min و فاصله بین دو تکیه گاه 35mm در دمای اتاق، آماده شدند و سپس نیروی شکست اندازه گیری گردید و با استفاده از رابطه زیر مقدار استحکام شکست محاسبه گردید
