بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش رفتار الکتروتنگش پیزوسرامیکهای بدون سرب - [ - Ba0.85Ca0.15 - 1-xCex/2] - Zr0.1Ti0.9 - O3 - BCCeZT که با استفاده از روش زینتر حالت جامد تهیه شدند، بررسی شد. این سرامیکها درمحدودهی دمایی 1350-1450œC به مدت 4 ساعت زینتر شدند و نقش آلایندهی سریا بر رفتار الکتروتنگش آنها مطالعه شد. فازهای بلوری و ریزساختار نمونهها با استفاده از روشهای پراش اشعهی - XRD - X و میکروسکوب الکترونی - SEM - مطالعه شدند و از اندازه گیری منحنیهای هیسترزیس کرنش-میدان و قطبش- میدان در دماهای مختلف برای محاسبهی ضرایب الکتروتنگش استفاده شد.
بر اساس نتایج به دست آمده، نمونهی زینتر شده در دمای 1450œC بزرگترین ضرایب الکتروتنگش Q33=0/063 m4/C2 و M33= 38×10-16m2/V2 را از خود نشان داد که از مقادیرگزارش شده برای انواع ترکیبهای BZT-50BCT در سایر مقالات بزرگتر بوده و این ترکیب را قابل رقابت با انواع ترکیبهای الکتروتنگشی بر پایهی سرب مینماید. بعلاوه، وابستگی دمایی قطبش و کرنش القایی از میدان نشان داد که ضرایب الکتروتنگش به دست آمده از هر دو نوع قطبش و کرنش تقریباً با هم برابر است و با توجه به این که دمای کوری این ترکیب در نزدیکی دمای محیط واقع شده است، در کل محدودهی دمایی در حدود 90 تا %100 از قطبش و کرنش القایی به اثر الکتروتنگش نسبت داده میشود.
مقدمه
ترکیبهای بر پایه تیتانات زیرکونات سرب - - Pb - ZrxTi1-x - O3, PZT - به خاطر خواص پیزوالکتریک و الکترومکانیکی عالی بیشترین کاربرد را در میان مواد پیزوالکتریک در سالهای اخیر داشتهاند. به خاطر سمی بودن سرب و نگرانیهای زیست محیطی، تلاشهای گستردهای برای یافتن ترکیبهای بدون سرب با خواص الکتریکی مشابه انجام گرفته است .[1] علی رغم اینکه تیتانات باریم - BaTiO3, BT - اولین ترکیب پیزوالکتریک بدون سرب است که در سالهای 1940-43 معرفی شد [2]، در سالهای اخیر بیشترین حجم مطالعات به خانوادههای نایوبات-های قلیایی سدیم-پتاسیم - - K,Na - NbO3 - و تیتانات بیسموت-سدیم - - Bi,Na - TiO3 - اختصاص یافته است.
با این که این دو گروه از خواص پیزوالکتریک بهتری نسبت به تیتانات باریم برخوردار میباشند، همچنان در مقایسه با ترکیبهای بر پایه PZT خواص پیزوالکتریک ضعیفتری از خود نشان میدهند .[3] محلول جامد - BZT-xBCT - - Ba,Zr - TiO3-x - Ba,Ca - TiO3 از خانواده تیتانات باریم، ترکیب نوپایی است که با داشتن خواص پیزوالکتریک معادل با PZT به یک رقیب جدی برای پیزوالکتریکهای پایه سرب تبدیل شده است.
کار لیو و رن در دستیابی به خواص دی الکتریک، پیزوالکتریک و فروالکتریک قابل توجه برای ترکیب - Ba0.8Ca0.2 - - Ti0.7Zr0.3 - O3، موج جدیدی در توسعهی پژوهش در این خانواده از ترکیب های بدون سرب ایجاد کرد.[4] بعضی از محققین معتقدند که ضرایب الکتروتنگش بزرگ و رفتار پیزوالکتریک ذاتی عامل افزایش خواص پیزوالکتریک در سرامیکهای BCZT میباشد [5]؛ این در حالی است که گروهی دیگر بخش غیر ذاتی اثر پیزوالکتریک و عواملی چون نرم شدگی الاستیک، قطبش پسماند بزرگ و انرژی ناهمسانگرد کوچک در اطراف ناحیه مرزی چند فازی را دلیل این رفتار می دانند .[6]
الکتروتنگش3 یک پدیدهی الکترومکانیکی بنیادی در مواد عایق یا دی الکتریکها میباشد و به صورت کرنش القایی - S - در اثر اعمال میدان الکتریکی - E - یا قطبش - P - که متناسب با مجذور میدان یا قطبش است، تعریف میشود: S=Q.P2=M.E2 که در این رابطه Q و M ضرایب الکتروتنگش هستند .[7] در مواد فروالکتریک با ساختار پروسکایت، اثر پیزوالکتریک وابسته به رفتار الکتروتنگش، قطبش خودبه خود و پاسخ دی الکتریک ماده است . بر این اساس بخش ذاتی ضریب پیزوالکتریک d33 به صورت زیر تعریف میشود: که در این رابطه، d33 ضریب بار پیزوالکتریک، PS قطبش خودبه خودی، 33 ثابت دی الکتریک وQ33 ضریب الکتروتنگش میباشد.
[5] طبق گفتهی جافّ، در الکتروتنگش تغییر طول ایجاد شده در اثر اعمال میدان الکتریکی مستقل از علامت میدان بوده و در مقابل در پیزوالکتریسیته، تغییر ابعاد در ناحیهی رابطهی خطی با میدان دارد و با تغییر جهت میدان جهت تغییر طول نیز عوض میشود .[8] کرنش القایی با میدان در میدانهای بزرگتر از میدان پسماندزدا و در محدودهی دمایی فروالکتریک نیزمستقل از علامت میدان و در نتیجه ماهیتاً از نوع الکتروتنگشی میباشد .[9]
ثابت دی الکتریک سرامیکهای BCZT قابل مقایسه با انواع PZT نرم میباشد، اما مقدار قطبش خودبه خودی در این دسته از فروالکتریکها کمتر از مقادیر گزارش شده برای انواع PZT میباشد 20ʽC/cm2 - برای BZT-50BCT در مقایسه با 35ʽC/cm2 برای ترکیب PZT نوع . - P5H لی و همکاران یکی از دلایل ضرایب پیزوالکتریک بزرگ ترکیب BCZT - که قابل مقایسه با انواع PZT نرم میباشد - را ضرایب الکتروتنگش قابل ملاحظهی آن برشمردند، که از انواع ترکیبهای PZT بیشتر میباشد.
ضریب الکتروتنگش بزرگ ترکیبهای BZT-xBCT ضرورت بررسی کاربردهای الکتروتنگشی این ماده را بیان میکند. طبق بررسیهای انجام شده، تاکنون مطالعات اندکی بر روی رفتار الکتروتنگش ترکیبهای BZT-xBCT گزارش شده است. فای و همکاران رفتار الکتروتنگش را در سرامیکهای Ba - ZrxTi1-x - O3-0.5 - Ba0.75Ca0.25 - TiO3 بررسی و بیشترین ضریب Q را برای x=0/25 گزارش کردند .[10] لی و همکاران نیز اثر الکتروتنگش را در ترکیب BZT-50BCT دوپ شده با مقادیر 1 و %2 اتمی Fe3+ بررسی کردند.
طبق نتایج آنها اضافه کردن Fe2O3 تاثیری بر افزایش ضریب Q نداشت ولی به علت کاهش دمای کوری تا نزدیکیهای دمای محیط و ثابت دی الکتریک بزرگ این ترکیبها در نزدیکی دمای کوری، ضرایب الکتروتنگش M33 بزرگی برای BZT-50BCT دوپ شده با Fe3+ بدست آمد .[5] در این تحقیق، سرامیکهای [ - Ba0.85Ca0.15 - 1-xCex/2] - Zr0.1Ti0.9 - O3 در محدودهی دمایی 1350-1450œC زینتر شدند و تاثیر آلایندهی سریا بر رفتار فروالکتریک و ضرایب الکتروتنگش این سرامیکها بررسی شد. وابستگی دمایی ضرایب الکتروتنگش نیز در محدودهی دمایی 22-100œC بررسی گردید وسهم کرنش پیزوالکتریک به طور کمّی از الکتروتنگش جدا شد.
روش کار
ترکیب BCZT با استفاده از روش متداول سنتز حالت جامد تهیه شد. مواد اولیهی مورد استفاده که همگی متعلق به شرکت Alfa-Aesar بودند، عبارتند از: کربنات باریم - %99/8 - ، کربنات کلسیم - %99/5 - ، اکسید تیتانیوم - %99/6 - ، اکسید زیرکونیوم - %99/5 - و اکسید سریم . - %99/9 - پس از توزین مواد اولیه مطابق فرمولاسیون [ - Ba0.85Ca0.15 - 1-xCex/2] - Zr0.1Ti0.9 - O3، که از این پس تحت عنوان BCCeZT از آن یاد میشود، مخلوط سازی و خردایش درون ظروف استوانه ای پلی اتیلنی با استفاده از گلولههای زیرکونیایی و در محیط اتانول به مدت 5 ساعت انجام شد. سپس محتویات ظروف در خشک کن با دمای 90œC به مدت 24 ساعت خشک شدند و فرایند کلسیناسیون در دمای 1250œC به مدت 3 ساعت انجام شد.
یک مرحله خردایش مجدد بر روی پودرهای حاصل از کلسیناسیون انجام شد. پودرهای سنتز شده با اعمال فشار اولیه به شکل قرصهایی با قطر 10mm و ضخامت حدود 1/5mm تهیه شدند. سپس با استفاده از دستگاه اعمال فشار ایزواستاتیک سرد - CIP 100 E, Paul-Otto - Weber GmbH, Remshalden, Germany، فشار نهایی 300MPa بر نمونهها اعمال شد. نمونهها در بوتههای زیرکونیایی درپوشیده در محدودهی دمایی 1350-1450œC به مدت 4 ساعت زینتر شدند.
