بخشی از مقاله
چکیده
سرامیکهاي پیزوالکتریک از خانواده PZT به عنوان پرمصرفترین سرامیکهاي پیزوالکتریک با ساختار کریستالی پروسکایت، موادي مناسب براي بسیاري از کاربردهاي الکتریکی بویژه سنسورها هستند. براي بهکارگیري پیزوسرامیکها در هر زمینه نیاز به ترکیبی از خواص الکتریکی شامل: ثابت ديالکتریک نسبی - ε - ، اتلاف ديالکتریک - tanδ - ، فاکتور کیفیت ديالکتریک - Qm - ، ضریب تزویج الکترومکانیکی - k - و ضریب بار پیزوالکتریک - d33 - است.
کاربرد وسیع سرامیکهاي تیتانات زیرکونات سرب بدلیل تغییر در خواص الکتریکی و الکترومکانیکی این ترکیبات با تغییر در ترکیب آنها است. در بکارگیري سرامیکهاي پیزوالکتریک PZT در سنسورهاي پیزواپتیک بعنوان یکی از سنسورهاي مهم کاربردي در صنعت برق ، ماده پیزوالکتریک باید فاکتور کیفیت ديالکتریک، ثابت ديالکتریک، ضریب بار پیزوالکتریک، فاکتور تزویج الکترومکانیکی و دماي کوري بالا و در عین حال اتلاف ديالکتریک پایین داشته باشد.
روش مرسوم تولید سرامیکهاي PZT شامل سنتز پودر PZT، شکلدهی پلاستیک و تبدیل پودر به یک بدنه متراکم، عملیات حرارتی، سینترینگ قطعات در دما و زمان مناسب و در نهایت عملیات پرداخت نهایی بر روي قطعات سینتر شده است. در مقاله حاضر ضمن معرفی ترکیبات مورد نظر براي ساخت پیزوسرامیک PZT بکار رفته در سنسورهاي اندازهگیري ولتاژ به روش اپتیکی، به مراحل ساخت این قطعات اشاره شده و نتایج حاصل از آنالیزهاي موادي و اندازهگیري خواص پیزوالکتریکی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
نیازمندي صنعت برق به کنترل و اتوماسیون، عاملی اساسی در گسترش انواع سنسورها بوده و امروزه این صنعت بعنوان محور توسعه سایر صنایع در دنیا رشد و توسعه سریعی یافته است. در این راستا یکی از پرکاربردترین سنسورهاي مطرح، سنسورهاي پیزوالکتریک هستند که با قابلیت تولید سیگنال الکتریکی در اثر اعمال تنش مکانیکی، در رده سنسورهاي مهم کاربردي در صنعت برق قرار گرفتهاند و بهرهگیري از آنها بعنوان مواد الکتروسرامیک هوشمند به دلیل دارا بودن خواص ديالکتریک بسیار مطلوب میباشد.
طی تحقیقات انجام شده در خصوص مواد پیزوالکتریک، خانواده PZT کاندید مناسبی براي استفاده از اثر ساخت سرامیک PZT مورد استفاده در سنسورهاي پیزواپتیک پیزوالکتریسیته هستند که خواص تک تک اعضاء این خانواده براي کاربردهاي مختلف بهینه میشود. بعنوان مثال در این خانواده میتوان ترکیبی داشت که قابلیت تحمل فرکانسهاي بسیار بالا را با وجود تلفات پایین داشته باشد. همچنین میتوان از این خانواده ترکیبی را انتخاب کرد که خواص پایداري را با زمان و دما داشته باشد.
بسته به کاربرد مورد نظر میتوان از انواع سرامیکهاي پیزوالکتریک بهره گرفت که هریک مشخصات منحصر بهفرد خود را از جمله حساسیت ولتاژي، پاسخ فرکانسی، محدوده دمایی کاربرد، امپدانس خروجی، فرکانس رزونانس، مقاومت عایقی، ظرفیت خازنی، ثابت ديالکتریک و ... دارا میباشند. کاربرد وسیع سرامیکهاي تیتانات زیرکونات سرب بدلیل تغییر در خواص الکتریکی و الکترومکانیکی این ترکیبات با تغییر در ترکیب آنها و حضور یونهاي افزودنی با مقادیر مختلف است.
بعنوان مثال در کاربردهاي انرژي بالا، ماده پیزوالکتریک باید داراي فاکتور کیفیت ديالکتریک، ثابت ديالکتریک، ضریب بار پیزوالکتریک و فاکتور تزویج الکترومکانیکی بالا و در عین حال اتلاف ديالکتریک پایین باشد. این دسته از پیزوسرامیکها اصطلاحاً پیزوسرامیکهاي سخت نامیده میشوند و در سنسورهاي پیزواپتیک با قابلیت اندازهگیري ولتاژ کاربرد زیادي دارند.[1] در این مقاله سعی بر آن است به مراحل ساخت سرامیک PZT مورد استفاده در این سنسورها و نتایج حاصله اشاره شود.
انتخاب ترکیب پیزوسرامیک مورد نظر با توجه به مطالعات انجامشده در خصوص انتخاب ترکیب مناسب پیزوسرامیک براي سنسورهاي اندازهگیري ولتاژ به روش اپتیکی مشخص شده است که پیزوسرامیکهاي سخت با مقادیر فاکتور کیفی ديالکتریک و ثابت ديالکتریک بالا و اتلاف ديالکتریک پایین مناسب هستند. در این راستا با مطالعه سیستمهاي مختلف، پیزوسرامیکی با فرمول شیمیایی - 1-z - Mz - Mg1/3 Nb 2/3 - x - Zry Ti - 1-y - - x O3 Pb و خواص الکترومکانیکی مناسب انتخاب شد که در آن M میتواند استرانسیوم یا باریم و یا هر دوي آنها باشد. مقادیر x در محدوده 0/1-0/7، y در محدوده 0/2-0/7 و z در محدوده 0/02-0/7 میتوانند انتخاب شوند.
افزودنیهاي مورد استفاده براي بهبود خواص فیزیکی و الکتریکی نیز میتوانند از هر یک از اکسیدهاي منگنز، نیکل، سریم، مولیبدن، نایوبیوم، استرانسیوم و یا کبالت انتخاب شده و به میزان 1-2 درصد وزنی به تنهایی و یا ترکیب با یکدیگر به ترکیب پودر اولیه سرامیکی اضافه شوند2]و.[3 با توجه به فرمول عمومی سرامیکهاي PZT با ساختار پروسکایت، عناصر باریم و استرانسیوم در مکانهاي A و منیزیم، نایوبیوم، زیرکونیوم و تیتانیوم در مکانهاي B قرار میگیرند.
با توجه به فرمول فوق و در ترکیب انتخابشده نسبت مولی [ Pb - Sr - ] به Zr/ Ti - ] 1 [ - Mg/ Nb - / - به 1 است. نسبت اتمی باریم به استرانسیوم را میتوان تغییر داد تا یک ترکیب با خواص الکترومکانیکی مورد نظر بدست آید. در عین حال میتوان نسبت - Mg/ Nb - به - Zr/ Ti - را تغییر داد تا به خواص ديالکتریکی متنوعی دست یافت. باید این نکته را در نظر گرفت که ترجیحاً نسبتهایی انتخاب شوند که ترکیب حاصل ساختاري نزدیک به ترکیب مرز فازي مورفوتروپیک داشته باشد تا بتوان به خواص الکتریکی و پیزوالکتریکی بهینه دست یافت4] و.[5 بر این اساس بمنظور دستیابی به خواص مورد نظر جهت کاربرد سرامیک PZT در سنسور پیزواپتیک، ترکیبات مندرج در جدول - 1 - انتخاب شدند.
ساخت سرامیک PZT مورد استفاده در سنسورهاي پیزواپتیک مراحل ساخت نمونههاي پیزوسرامیک PZT منتخب براي ساخت نمونههاي پیزوسرامیک از ترکیبات اکسیدي و کربناتی هر یک از عناصر موجود در ترکیب استفاده میشود. در این مرحله مقدار وزنی هریک از مواد موجود در ترکیب با توجه به فرمول ترکیب شیمیایی انتخابشده وزن میشود. براي جلوگیري از تغییرات استوکیومتري ترکیب ناشی از خروج سرب، مقدار 2 درصد وزنی اکسید سرب به کلیه ترکیبات فوق باید افزوده شود. به منظور آمادهسازي مواد، مقدار وزنی مورد نیاز از هر یک از مواد تشکیلدهنده ترکیب وزن شده و به طور کامل با یکدیگر مخلوط شدند.
به همین منظور مواد در داخل یک جار پلیاتیلنی ریخته شد. مخلوطشدن مواد در حضور آب و به کمک جارمیل و به مدت 17 ساعت انجام شد. بعد از سپريشدن زمان مورد نیاز براي مخلوطشدن مواد با یکدیگر، دوغاب مواد در داخل بشر ریخته شده و در خشککن قرار داده شد. خشککردن دوغاب به مدت 12 ساعت و در دماي 110 درجه سانتیگراد انجام شد. براي انجام مرحله کلسیناسیون دوغاب خشکشده داخل یک بوته آلومینایی ریخته شده و داخل کوره در دماي 850-800 درجه سانتیگراد با سرعت تغییر 4 درجه سانتیگراد در دقیقه و با ماندگاري 3 ساعت قرار گرفت. مواد کلسینهشده بعد از سردشدن کوره از بوته خارج شده و با مقدار مناسب آب در داخل جار پلیاتیلنی ریخته شده و به مدت 8 ساعت در جارمیل آسیاب شده و مجددا دوغاب حاصله داخل یک بشر ریخته شده و در خشککن به مدت 10 ساعت و در دماي 110 درجه سانتیگراد قرار گرفت.
سپس مخلوط خشکشده داخل هاون عقیق ریخته شده و براي همگنشدن ترکیب آسیاب شد. پودر حاصل از یک الک با سوراخ به ابعاد 180 میکرون عبور داده شد. در ادامه چسب و مواد روان ساز به مخلوط اضافه شد. در این مرحله از 1 درصد وزنیPVA به عنوان چسب و 10 درصد وزنی آب براي تنظیم رطوبت پودر استفاده شد. پس از آن مرحله شکل دهی نمونهها به صورت دیسکی با استفاده از روش پرس پودر با فشار 5 تن در قالبهاي تعبیه شده طبق شکل - 1 - انجام گرفت.
پس از انجام مرحله شکلدهی، بهمنظور چسبزدایی نمونهها عملیات حرارتی در دماي 650 درجه سانتیگراد با سرعت 3 درجه سانتیگراد بر دقیقه و با در نظر گرفتن زمان ماندگاري 3 ساعت انجام شد. بعنوان آخرین مرحله ساخت، سینترینگ نمونههاي پیزوسرامیک با در نظر گرفتن ترکیب مناسبی از پودر بافر در دماي 1250 درجه سانتیگراد با لحاظ نمودن سرعت افزایش دما در هر دقیقه معادل با 7 درجه سانتیگراد و زمان ماندگاري 3 ساعت انجام شد.
انجام آزمونهاي موادي لازم بر روي نمونههاي پیزوسرامیک PZT ساخته شده از آنجاییکه خواص محصول نهایی به مواد اولیه مورد استفاده و همچنین ریزساختار حاصل از فرآیند ساخت بستگی دارد، قاعدتاً لازم است به منظور دستیابی به خواص مطلوب و ریزساختار مناسب از فرآیند ساخت بهینهاي استفاده کرد. براي دستیابی به این مهم، به روشها و امکاناتی نیاز است که بتوان عملیات تحلیل و شناسایی را در مراحل مختلف ساخت به درستی انجام داد.
