بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق براي اولین بار از اسید سیتریک به عنوان سوخت در روش سل – ژل احتراقی براي تولید نانو پودر اکسید روي استفاده گردیده و با کنترل پارامترها نانو پودر اکسید روي تهیه شده است و در ادامه از پودر حاصله وریستور اکسید روي ساخته شده است. از آنجا که کوچک شدن دانهها در ریزساختار امر مهمی در بهبود خواص الکتریکی به حساب میآید، وریستور ساخته شده با ذرات نانو نتایج الکتریکی مناسبی از خود نشان میدهد. نتایج نشان دادند که در صورت استفاده از ذرات نانو سایز براي ساخت وریستورهاي اکسید روي، دما و زمان سینترینگ را پایین و خواص فیزیکی از جملدانسیته را بهبود میبخشد. همچنین ضریب غیرخطی و ولتاژ شکست به میزان 45 و 4500 v/cm در مقابل 36 و v/cm 1500 رسید.
واژه هاي کلیدي : نانو پودر اکسید روي، وریستور، سل، ژل احتراقی
-1 مقدمه:
نانو مواد، دستهاي از مواد هستند که از طریق کنار هم قرار دادن اتمها، ملکولها یا مجموعههایی از آنها در ابعاد نانو ایجادمیگردند و به طور مصنوعی تولید میشوند.نانوسرامیکها به دلیل داشتن خواص ویژه از مهمترین و کاربرديترین شاخههاي نانومواد محسوب میشوند. زمان ظهور نانوسرامیکها را میتوان دهه 90 میلادي دانست. در این زمان بود که با توجه به خواص بسیار مطلوب پودرهاي نانوسرامیکی، توجهاتی به سمت آنها جلب شد، اما روشهاي فرآوري آنها چندان آسان و مقرون بهصرفه نبود. با پیدایش نانوتکنولوژي، نانوسرامیکها هرچه بیشتر اهمیت خود را نشان
ساخت وریستورهاي اکسید روي با استفاده از نانو پودر ZnO سنتز شده دادند. در حقیقت نانوتکنولوژي با دیدگاهی که ارائه نمود، تحلیل بهتر پدیدههاي حاکم و دستیافتن به روشهاي بهتر،براي تولید نانوسرامیک ها را ممکن ساخت.[1]
روش سل – ژل احتراقی یکی از روشهاي متداول در تولیدنانو پودرها میباشد. در این روش که روشی جدید با ترکیبیبی نظیر از روش سل – ژل و فرآیند احتراقی است، ابتدا مواداولیه که عمدتاً به صورت ترکیبات نیتراتی هستند در یک حلال آبی مانند اسید سیتریک در نسبتهاي مولی مناسب حلمیشوند و در اثر حرارت دادن و تبدیل شدن مواد به سل وسپس ژل و در ادامه احتراق مواد، نانو پودر مورد نظر تشکیل میشود. در این روش ضمن استفاده از مزایاي روش سل –ژل، میتوان با ایجاد یک پدیده احتراق ضمن کاهش مدت زمان واکنش، به ذرات ریز و در حد نانو دست یافت. در روشسل – ژل از یک ماده ژله کننده استفاده میشود و با تشکیلالکوکسیدهاي فلزي و واکنش با آب میتوان به یک ژل همگندست یافت و در روش احتراقی با استفاده از یک عامل احتراق کننده و انجام واکنشهاي احتراقی میتوان سبب تشکیل خودبخوي واکنش و ایجاد نانو پودر گردید.
در روش سل – ژل احتراقی با افزودن یک سوخت در مواد اولیه میتوان هر دوروش سل – ژل و احتراق را در کنار یکدیگر داشت. در اینروش حرارت دادن محلول اولیه سبب تبدیل سل به یک ژل با ویسکوزیته بالا میگردد. ژل حاصل با بالا رفتن دما طی یک فرآیند احتراقی به شدت گرمازا ناشی از واکنش مواد آلی به عنوان عامل احیا کننده و نیتراتها به عنوان عامل اکسید کننده،به خاکستري نرم و به شدت متخلخل تبدیل میشوند که باکلسینه کردن در دماي مناسب به محصول نهایی تبدیل میگردد.[2]Yu و همکارانش [3] در تحقیقات خود به این نتیجه رسیدندکه ژل حاصل از سل که بر اثر خروج بخارات آب اضافی وگازها ایجاد میشود، بلافاصله با بالا رفتن دما و انجام واکنش احتراق به خاکستر تبدیل نمیشوند. آنها در یافتند که شرطلازم براي فرآیند احتراقی گرمازا قبل از پیشروي جبهه احتراق به سرتاسر ژل، رسیدن به دماي احتراق است.
آنها مشاهده کردند که تنها برخی از نقاط ژل به دماي احتراق رسیده و با جرقه زدن در این نقاط جبهه احتراق به صورت خودبخود به نقاط دیگر پیشروي میکند. همچنین آنها معتقدند که در حین فرآیند تشکیل ژل و خشک شدن آن، گازهاي زیادي از درون ژل خارج میشود و از طرفی بدلیل وجود ترکیبات آلی در داخل ژل و تنش سطحی بالاي این ترکیبات،ژل در حین خشک شدن به شکل حباب بزرگی مشابه حباب صابون درآمده که این گازها در حین خروج باعث رشد و بزرگ شدن آنها میشود.در روش سل – ژل احتراقی از یک عامل اکسید کننده و یکسوخت به عنوان عامل احیا استفاده میشود. کنترل نسبتمناسب اکسید کننده به سوخت میتواند به گرماي بالايحاصل از واکنشها منجر شود. بنابراین به منظور بهرهگیري از واکنشهاي گرمازا، انتخاب نسبت مناسب اکسید کننده بهسوخت از اهمیت بالایی برخوردار میباشد.
انتخاب نامناسب نسبت نیتراتها به سوخت، به ایجاد فازهاي میانی ناخواسته یامواد اولیه واکنش نیافته منجر میشود 4]و.[3در روش سنتز سل – ژل احتراقی به علت امکان کنترل استوکیومتري همگنی و خلوص بالا نوید تهیه پودرهاي با کیفیت مناسب را میدهد. در این روش علاوه بر بهرهمند شدناز مزایاي روش سل-ژل و سنتز احتراقی با روشی سادهتر وارزانتر، ذرات نانو پودر با اندازه ذرات ریزتر و توزیع یکنواختتر و خلوص بالاتر به دست میآید.V.C.Sousa و همکارانش [5] از جمله محققانی بودند که برروي سنتز احتراقی پودر ZnO جهت کاربرد وریستوريتحقیقاتی انجام دادهاند. این محققان از نیتراتهاي فلزي به همراه اوره جهت ساخت پودر اکسید روي استفاده کردند و به پودر اکسید روي با ابعادي در حدود 400-500 nm دست یافتند.
C. Ching Hwang و [6] Tsung-Yung Wu از جمله محققانی بودند که برروي ساخت نانو پودر اکسید روي بااستفاده از روش احتراقی تحقیقاتی انجام دادند. این محققان ازسوخت گلایسین و نیترات هاي فلزي استفاده کردند و بهترین نسبت را نسبت استوکیومتري دانستند.ولی تاکنون هیچکدام از دانشمندان با استفاده از روش سل –ژل احتراقی و استفاده از اسید سیتریک به عنوان عامل ژلهايشدن و عامل سوخت براي تولید نانو پودر اکسید روي فعالیتی انجام ندادهاند. در این تحقیق براي اولین بار از اسید سیتریکبه عنوان دو نقش عامل ژلهاي شدن و سوخت استفاده گردیدهاست و نتایج حاصل از مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 فعالیت هاي آزمایشگاهی:
براي انجام این تحقیق از نیترات روي به همراه سوخت اسیدسیتریک استفاده گردید. مشخصات این مواد در جدول 1 آوردهشده است.نسبت سوخت به مواد اولیه در سه نسبت 0/5، 1 و 2 در نظر گرفته شد و مواد اولیه پس از توزین برروي همزن مغناطیسی به طور همگن درآمد. سپس با ادامه حرارت دهی و انجام فرآیند احتراق پودرهاي اکسید روي تولید گردیدند. این پودرهادر دماي 400-600 درجه سانتیگراد کلسینه شدند و مورد آزمونهاي XRD و SEM قرار گرفتند و نتایج بدست آمده مورد ارزیابی قرار گرفت. واکنش شیمیایی صورت پذیرفته در روش سل – ژل احتراقی به صورت زیر میباشند:در ادامه از نانو پودر مناسب به دست آمده وریستور اکسید روي تهیه شد.
براي این منظور افزودنیهاي اکسید بیسموت،اکسید کبالت، اکسید کروم و اکسید نیکل با نسبتهاي مولی 1،0/5، 0/5، 0/5 توزین و در آسیاب ماهوارهاي با نانو پودراکسید روي مخلوط گردیدند سپس با استفاده از پرس هیدرولیک دوطرفه قرصهایی با شعاع 10 mm و ضخامت 5 mm تهیه گردیدند و در دماي 950 OC سینتر شدند. لازم به ذکر است که براي مقایسه نتایج الکتریکی این قرصها ،کلیه شرایط بالا براي پودرهایی با ابعاد میکرومتر نیز تکرارگردید و قرصهاي وریستور از آنها نیز تهیه گردید و هر دو گروه از قرصها مورد بررسی الکتریکی قرار گرفت.
-3 نتایج و بحث :
نتایج XRD از آزمون تغییر نسبت سوخت به مواد اولیه که دردماي 500 OC کلسینه شدهاند، در شکل 1 آورده شده است.با توجه به طیفهاي مشاهده در شکل 1 میتوان دریافت کهدر صورتیکه نسبت سوخت به مواد اولیه نیتراتی 2 میباشد،پیکهاي اکسید روي به صورت مخدوش تشکیل شدهاند و نتایج مناسبی از خود نشان ندادهاند و تنها در صورتی که نسبت سوخت به مواد اولیه برابر 0/5 است پیکهاي شارپ اکسیدروي خودنمایی نمودهاند. لذا میتوان نتیجهگیري نمود که نسبت سوخت به مواد اولیه در نسبت 0/5 مناسب میباشد.
