بخشی از مقاله
چکیده
پودر سرب زیرکونات تیتانات - PZT - به روش سل- ژل بر پایه اسید استیک تهیه شد . پرای پایدارکردن س ل به آن آب خالص واسید لاکتیک اضافه شد . تبخیر حلال ها وتبدیل سل به ژل در 0C 100 به مدت 24 ساعت وپیرولیز در 400 0C به مدت 30 دقیقه وکلسینه شدن در دو دمای 650و850 درجه سانتیگراد انجام شد . طیف ه ای FTIR حاکی از انجام واکنشها و تغییرات مورد انتظار در هر مرحله است و نشان می دهند که در دمای 650 درجه PZT با ساختار پرووسکایتی بطور کامل تشکیل می شود و هیچگونه تغییرات ساختاری پس از 650درجه اتفاق نمی افتد.
کلمات کلیدی: سرب زیرکونات تیتانات، سل-ژل کد دسته بندی مقاله:فیزیک حالت جامد وماده ی چگال
مقدمه
زیرکونات تیتانات سرب با فرمول شیمیایی Pb - ZrxTi1-x - O3 که در آن [ 0/52 می باشد و با علامت اختصاری - PZT - در اواخر سال های 1950 کشف شد. PZT که ساختمان پرووسکایتی د ارد خواص فرو الکتریک یا پیزوالکتریک و یا هر دو را دارا می باشد و بنابراین در خازن ها، همنواگرهای مکانیکی، مبدل های التراسونیک، سنسورهای فشار، سوئیچ های نوری و غیره کاربرد دارد.[1] در این تحقیق پودر PZT به روش سل-ژل بر پایه اسید استیک به دست آمده است. فناوری سُل - ژل در ابتدا به عنوان روشی جدید برای پوشش دادن وسایل مختلف با شیشه یا سرامیک بکار گرفته شد، این روش بویژه برای تولید فیلم های پیزو الکتریک ضخیم - بیش از - 1 m از نظر سهولت، زمان انجام و هزینه مناسب است. دو نوع متفاوت فناوری سُل - ژل وجود دارد . نوع اول با یک تعلیق کلوئیدی ذرات جامد در مایع که سُل نامیده می شود شروع و سپس سُل به صورت ژل در می آید در نوع دوم پیش ماده ارگانومتالیک از قبیل الکوکسید فلزی پلیمریزه شده و شبکه ژله ای ایجاد می کند در این پروژه ما از روش سُل - ژل دوم استفاده خواهیم کرد.
روش سُل - ژل مبتنی بر پیش ماده های ارگانومتالیک از نظر تئوری بسیار ساده است، م حلولی از پیش ماده های عناصر مورد نظر به نسبت مولی معین در یک حلال آلی تهیه و سپس پلیمریزه می شود تا ژل بدست آید، سپس ژل خشک و سوزا نیده می شود تا مواد آلی آن حذف و اکسید های معدنی بوجود آید. روش سُل - ژل در مقایسه با روش های سنتی ساخت سرامیک و شیشه مزیت هایی دارد : با این روش می توان با مخلوط کردن پیش ماده ها به نسبت مولی مورد نظر سیستم های کاملاً یکنواخت وشامل چند جزء و به نسبت های دقیقاً مشخص تهیه کرد. سه روش متداول رسوب دادن محلو ل به طریق شیمایی ، برای تهیه فیلم های پرووسکایتی به شرح زیراند : 1روش- سُل - ژلی که در آن از - 2 متوکسی اتانول به عنوان حلال و واکنش دهنده استفاده می شود.
2روش- سُل -ژلی که در آن از موادی نظیر اسید اسیتک بعنوان تعویض کننده لیگاندهای آلکوکسید های فلزی استفاد ه می شودو روش کی لیت نامیده می شود.
-3روش تجزیه متال ارگانیک ها - - MOD - در آن کربوکسیلات های فلزی که به آب حساس نیستند،استفاده می شود. در مقایسه با روش -2متوکسی اتانول، روش کی لیت مزیت هایی از قبیل سنتز نسبتا ساده محلول و عدم نیاز به رفلو و تقطیر دارا می باشد. روش کی لیت بطور مفصل بوسیله یی و همکارانش >2@ تشریح شده است. در این روش ماده کی لیت ساز در مراحل اولیه به الکوکسید اضافه می شود و علی رغم این که با این روش سرانجام مواد غیر حساس به آب تولید می شوند، ولی فاز اول آن باز هم در جو بی اثر انجام می شود. برای تهیه فیلم PZT با این روش از استات سرب ، الکوکسید های زیرکونیم و تیتانیم استفاده می شود. یا ابتدا استات سرب در اسید استیک حل می شودو سپس الکوکسید هابه آن اضافه می شود.[2] یا ابتدا آلکوکسیدهای تیتانیوم بوسیله اسید استیک کی لیت می شوند و بعد به آن استات سر ب اضافه می شود .[3]
سپس به منظور کنترل ویسکوزیته و پایداری محلول حاصل ، الکل و آب اضافه می شود . با وجود این که روش کی لیت ساده و سریع است ، شیمی تهیه محلول درآن کاملاً پیچیده است. زیرا واکنش های زیادی رخ می دهد . واکنش های اصلی در این روش عبارتند از : کی لیت شدن ، استری شدن ، هیدرولیز و واکنش های تراکمی.روش انجام آزمایشبه منظور تهیه نانو پودرهای PZT نخست 3/8 ml اسید استیک تا 40 درجه سانتی گراد حرارت دادیم سپس 6/596 گرم استات سرب را در همان دمای 40 درجه در اسید استیک حل کردیم و محلول را 10دقیقه در دمای 100 درجه سانتیگراد حرارت دادیم سپس محلول را در دمای سرد کردیم سپس مقدار 3/848 گرم زیرکونیوم پروپوکسید %70 - درپروپانل - را به محلول فوق اضافه کرده و هم زدیم سپس مقدار 2/032 گرم تیتانیوم ایزوپروپوکسید را به محلول قبل اضافه کردیم و خوب هم زدیم تا حل گردد و سل یکنواخت و شفافی ایجاد شود برای پایدار ی سل حاصل به آن آب خالص و اسید لا کتیک اضافه شد و سپس پلمریزه شد تا ژل بدست آید. ژل حاصل - در محدوده دمایی - 300-400 0C تبخیر و خشک شد تا مواد آلی آن حذف و اکسید های معدنی بوجود آید، کلسینه شدن در دمای 650 و 750 سانتیگراد انجام شد. کلیه مراحل بوسیله FTIR تعقیب و مورد بررسی قرار گرفت.
بحث و نتیجه گیری
مراحل تکامل پودر PZT از حالت ژل خشک اولیه تا ژل متبلور بوسیله طیف سنجی FTIR مورد بررسی قرار گرفته است .طیف FTIR ژل حاصل از خشک کردن سل در دمای 100 0C در شکل - 1 - نشان داده شده است. ملاحظه می شود با افزایش دما باندهای جذبی مربوط به الکل ،متیل، متیلن و CH محو شده است زیرا در این دما کلیه مواد آلی تجزیه شده است ضمناَ شدت جذب باندهای مربوط به CO2 و OH به مقدار زیادی کاهش یافته است . باند جذبی 342 Cm-1 مربوط به O-H می تواند رطوبت جذب شده توسط ژل باشد، . در شکل 3 طیف FTIR ژل حرارت داده شده به مدت یک ساعت در در دمای 850 0 C نشان داده شده است. در این نمودار باند های جزئی به الکل - 1049 Cm-1 و - 1118، متیل و متیلن - 871 Cm-1 و 1620 - &RR'&R2'&R - 1411 و - 1411 در ارتعاشات خمشی آب - 1620 Cm-1 - ، 2869 Cm-1 - و OH - 2978
الکل و پیوند هیدروژنی - 34 17 Cm-1 - ، M-O-M و M-O-R 663 Cm-1 - و - 509 بهخوبی مشهود است. شکل2 طیف پودر ژل حرارت داده شده به مدت یک ساعت در دمای 650 0C را نشان می دهد. شکل : 3 نمودار FTIR ژل حرارت داده شده به مدت یک ساعت در دردمای 850 0 C از مقایسه این طیف با شکل 2 تغییر قابل ملاحظه ای مشهود نیست و می توان نتیجه گرفت که مراحل تبدیل ژل به پودر PZT متبلور با ساختار پرووسکایتی در دمای 650 0 C کامل شده است . بطور کلی قبل از عملیات حرارتی وجود گروه های پروپیل و ایزوپروپیل
