بخشی از مقاله
چکیده
طبیعت فروالکتریک و پیزوالکتریک سرامیکهای تیتانایت زیرکونایت سرب - PZT - سبب کاربردهای بسیار زیادی در دستگاههای الکتریکی شده است. پودرهای PbO - 99/9% - ، ZrO2 - 99/9% - و TiO2 - 99/9% - با نسبت استوکیومتری مشخص برای ساخت ترکیب در آسیاب سیارهای مخلوط و همگن سازی شدند و در دمای 800oC به مدت 2 ساعت مورد کلسیناسیون قرار گرفتند.
برای افزایش خواص مکانیکی و تشکیل کامپوزیت PZT/2%Al2O3 ذرات Al2O3 با مقیاس نانو به میزان %2 به مواد کلسینه شده اضافه گردید. به منظور بدست آوردن شرایط بهینه زینترینگ، عملیات پخت در دماهای مختلف 1000oC، 1050oC ، 1100oC و 1150oC انجام گرفت. ریزساختار، دانسیته و استحکام شکست نانو کامپوزیتهای پیزوالکتریک PZT/2%Al2O3، به ترتیب از طریق میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، روش ارشمیدس و خمش سه نقطهای مورد ارزیابی قرار گرفتند.
با افزایش دمای زینترینگ دانسیته، استحکام و خواص الکتریکی بهبود یافتند. نانو کامپوزیتهای PZT/2%Al2O3 که در دمای 1100oC زینتر شدند بهترین خواص را از خود نشان دادند ولی در دماهای بالاتر این خواص کاهش یافتند.
-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 ، 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.
مطابق نتایج بدست آمده، استحکام و چقرمگی شکست برای کامپوزیتهای PZT/2%ZnO نسبت به PZT خالص به ترتیب حدود %47 و %46 بهبود یافته ولی خواص الکتریکی حدود %10 کاهش یافته است،
همچنین در 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. Al2O3 یکی از مواد سرامیکی مهم است که دارای استحکام فشاری و سختی بالا میباشد و از آنجائیکه به صورت اکسید میباشد میتواند سازگاری خوبی با PZT داشته باشد.
در این پژوهش آماده سازی و خواص نانو کامپوزیتهای PZT/2%Al2O3 در شرایط دمای مختلف زینترینگ مورد بررسی قرارگرفتند.
-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 oC به مدت 2 ساعت خشک شده و در دمای 800 oC به مدت 2 ساعت به منظور تشکیل PZT کلسینه شدند. برای تشکیل نانوکامپوزیت PZT/2vol%Al2O3 پودر PZT کلسینه شده با 2 درصد حجمی آلومینا با اندازه ذرات 70B60نانومتر 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 oC 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 به منظور بررسی شرایط بهینه زینترینگ، عمل پخت در دماهای مختلف 1000 oC، 1050oC، 1100 oC و 1150 oC به مدت 2 ساعت روی نمونهها انجام گرفت.
جدول - - 1 درصد وزنی و حجمی مواد اولیه برای ترکیب Pb - Zr 0.52 , Ti 0.48 - O3
چگالی نمونه ها توسط روش ارشمیدس و میزان انقباض خطی از مقایسه ابعاد نمونهها قبل و بعد از زینترینگ مورد اندازهگیری قرار گرفتند. ریزساختار و سطوح شکست نمونهها بوسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - 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.
