بخشی از مقاله
سنتز و بررسي خواص الکتريکي نانوکامپوزيت PVC-PZT
چکيده
در اين مقاله کامپوزيت سراميک پليمري با پودر نانوسايز زيرکونات تيتانات سرب تهيه شده از طريق سل ژل آلکوکسيدي و پليمر پلي وينيل کلروايد تهيه شده و خواص الکتريکي اين کامپوزيت بر حسب کسر حجمي جز سراميک مورد مطالعه قرار گرفته شد. مطالعه ريز ساختار کامپوزيت نشان داد که ريز ساختار ريز و کاملا هموژن در کامپوزيت حاصل شده است ، همچنين داده هاي بررسي هاي الکتريکي نشان داد که با افزايش جز حجمي سراميکي ثابت دي الکتريکي افزايش يافته است ، اين افزايش به مراتب بيشتر از انواع سنتي کامپوزيت مذکور بوده و خواص الکتريکي آن مشابه کامپوزيت هاي ١-٣ مي باشد. بدين ترتيب مي توان از خواص بهينه و قابل کنترل نانوپودر PZT بدون تغيير در اثر زينتر در کاربردهاي الکترومکانيکي خاص استفاده کرد.
کلمات کليدي : نانوکامپوزيت ٠-٣، PZT، خواص الکتريکي
مقدمه
زيرکونات تيتانات سرب با ترکيب باند مرزي مورفوتروپيک ٤٧= x يکي از مهمترين مواد پيزوالکتريک بوده که کاربردهاي متنوعي در صنايع الکترونيک شامل حسگرها، راه اندازها، محرکها و مبدلها را دارا مي باشد [١،٢]. اما اين سراميکها امپدانس اکوستيکي بالا و سازگاري ضعيف اکوستيکي با آب و محيطهاي اطراف داشته و نيز ترد و شکننده بوده و امکان ساخت اشکال پيچيده محدودي را دارند [٣، ٤].
براي رفع اين عيب از اوايل دهه هفتاد کامپوزيتهاي سراميک پليمر توسعه يافتند [٥]. در اين راستا از انواع پليمر هاي پلي اورتان، اتيلن پروپيلن ، اپوکسي و پلي وينيل کلرايد استفاده شده است . اين نوع پيزوسراميکها در کاربردهايي که نياز به وسيله تبديل انرژي اکوستيک به امواج الکتريکي با امپدانس اکوستيک پايين در محيط آبي نياز است مانند هيدروفونهاو پروب هاي سونوگرافي در تصوير برداري پزشکي و دستگاههاي سونار بکار مي روند [٦]. علاوه بر نوع مواد سازنده، نحوه اتصال اجزا نيز در خواص نهايي کامپوزيت تاثير داشته و انواع کامپوزيت هاي ٠-٣، ١-٣ و نيز ٢-٢ ساخته شده اند [٧-٩], که اعداد ذکر شده ديمانسيونهاي جز سراميکي و زمينه را نشان مي دهد. در طي دهه اخير محققين مختلفي بر روي انواع فرايند هاي ساخت کامپوزيت کار کرده اند، من جمله روش ميله گذاري، برشکاري، تزريق در قالب ، قالب فدا شونده، صفحه چيني ، دي الکتروفورسيس ، اکستروژن همزمان، خودنظم دهنده و نيز روش متداول مخلوط اکسيدها که هر کدام ويژگيهاي مختلفي از خود نشان مي دهند [١٠]. استفاده از پودر ساده ترين روش بوده که در تهيه کامپوزيتهاي ٠-٣ بکار مي رود بدين ترتيب مي توان انواع ورقهاي انعطاف پذير و اشکال متنوع پيزوالکتريک را تهيه کرد، مزيت عمده اين روش امکان تنظيم ضرايب هيدرواستاتيک کامپوزيت با تغيير مقدار کسر وزني اجزا مي باشد [١١]. در تحقيقات انجام گرفته ، مشاهده شده است کامپوزيتهاي نوع ٠-٣ به علت عدم پيوستگي جز سراميکي خواص دي الکتريکي بسيار ضعيفتري از خود نشان مي دهند اما خواص مکانيکي آنها نسبت به انواع مختلخل پيزوسراميک بهبود يافته در اين راستا مشاهدات عملي و شبيه سازي توسط محققين چيني انجام يافته است [٨].
در دهه اخير تحقيقات گسترده اي در زمينه استفاده از نانو تکنولوژي در بهينه سازي خواص مواد انجام شده است ، در اين بين مواد الکتريکي از اهميت ويژه اي برخورداراند. اين تحقيقات را مي توان در دو رده تقسيم بندي کرد. لايه هاي نازک، چندلايه اي ها و نيز نانوپودر ها که به صورت پودري و يا حجمي بکار مي روند.
مشکل نانوپودرهاي شکل داده شده به صورت حجمي وجود فرايندي براي صلب کردن قطعه مي باشد که عموما شامل زينتر کردن در دماي بالا مي باشد همين امر باعث رشد اندازه ذرات و نيز تغييرات ريزساختاري و ترکيبي مي شود[١٢]. در اين کار کامپوزيت PVC-PZT با ٦٠-٩٠% کسر حجمي پليمر با پودر معمولي و نانو PZT ساخته شده و خواص الکتريکي و فيزيکي آنها مقايسه شد. مشاهده شد که با کسر حجمي برابر نانوکامپوزيت ساخته شده خواص الکتريکي بهتري دارد.
مواد و روش تحقيق
نانو پودر PZT با ترکيب مورفوتروپيک با استفاده از مواد آلکوکسيدي و روش سل ژل پايه اسيد استيک تهيه شد پارامتر هاي مربوطه براي تنظيم دانه بندي نهايي بهينه شد[١٣]. همچنين پودر PZT شاهدي ، نيز با مخلوط اکسيدها تهيه و کلسينه شد. مخلوط پودرهاي به دست آمده و نيز PVA گرانوله شده ، با ترکيب ، ٦٠-٧٠-٨٠-٩٠ % حجمي پليمر با سراميک انتخاب شد. اين ترکيب به مدت ٦ ساعت در بالميل با پوشش زيرکونيايي و ترکننده الکلي کاملا هموژن شده و در دماي C ٤٠ خشک شده و سپس با استفاده از پرس تک محوره با فشار ١٥٠ مگاپاسکال شکل داده شد و قرصهايي به قطر ١٠ ميليمتر و ضخامت ٢ ميليمتر تهيه شد. نمونه ها الکترودگذاري شده و طي عمليات حرارتي با نرخ C ١٢٠ درجه بر ساعت تا دماي C ١٦٠ درجه گرم شده و به مدت دو ساعت در اين دما نگه داشته شده و تا دماي C ١٢٠ درجه خنک شده و تحت ميدان kV.mm ٣ به مدت ١٥ دقيقه نگه داشته شده و تا دماي اتاق و ميدان صفرkV.mm خنک شد.
بررسي هاي فاز شناسي با استفاده از پراش اشعه از نمونه هاي ساخته شده انجام شد. ريزساختار نمونه هاي کامپوزيتي نيز با استفاده از ميکروسکوپ الکترون روبشي انجام شد. دانسيته و خواص فيزيکي نمونه ها نيز با استفاده از روش ارشميدوس اندازه گيري شد.
همچنين با رعايت استاندارد هاي مربوطه خواص پيزوالکتريکي نمونه ها اندازه گيري شد.
براي اندازه گيري ثابت بار پيزوالکتريک(d33) از دستگاه ( ,٨٠٠٠ Tester Model Piezo d٣٣ American Piezo ceramics Inc) استفاده شد. ظرفيت دي الکتريکي و امپدانس الکتريکي نمونه ها نيز تحت فرکانس ١ کيلوهرتز با آناليزگر اندازه گيري شد.
فاکتورهاي جفت شوندگي الکترومکانيکي و نيز ضريب پيزوالکتريکي نمونه ها با استفاده از روابط مربوطه و فرکانس هاي تشديد و ضد تشديد و ابعاد و ثابت دي الکتريکي به دست آمد.
يافته ها
الگوهاي پراش اشعه x نمونه ساخته شده از نانوپودر PZT در شکل (١) به عنوان نمونه نشان داده شده است . همچنانکه ديده مي شود تک فاز پروسکايتي همراه با تپه آمورفي ديده مي شود در مورد ساير موارد نيز شدت اين پيکها تغيير مي کند، مورد دوم عرض پيکهاي پروسکايتي است که در مورد نانوکامپوزيت پيکهاي عريض مشاهده مي شود که حالت شاخه دار به خود گرفته است .
شکل (٢) دانسيته نمونه هاي داراي کسر وزني متفاوتي از سراميک را نشان مي دهد، که قابل مقايسه با مقادير تئوريک دانسيته به دست آمده از قانون اهرم مي باشد، بخصوص در مورد نمونه هاي نانوکامپوزيتي که به نسبت دانسيته بالاتري از خود نشان مي دهند.
