فرآیند تولید سرامیک های پیزوالکتریک

تولید اغلب سرامیک های پیزوالکتریک توده ای با تهیه ی پودر آنها شروع می شود. پودر تولیدی سپس در اندازه و شکل مورد دلخواه پرس می شود. شکل خام تولیدی خشک و فرآوری گشته و از لحاظ مکانیکی سخت تر و پر دانسیته تر می شود. مهمترین فرآیندهایی که بر روی خواص و ویژگی های محصول تولیدی اثر می گذارند شامل: فرایند تولید پودر، فرآیند خشک کردن پودر و زینترینگ می شوند. مراحل بعدی انجام شده شامل: ماشین کاری، الکترونیک و قطب دار کردن (Poling) می شوند (قطب دار کردن یعنی: استفاده از یک میدان DC جریان برای جهت دهی به دی پل ها و القای خاصیت پیزوالکتریکی است)

 معمولی ترین روش برای تهیه ی پودر، مخلوط کردن اکسیدهای مورد نیازاست. در این فرآیند، پودر از مخلوط کردن نسبت های استوکیومتری مناسب از اکسیدهای تشکیل دهنده ی پیزوالکتریک بدست می آید. برای نمونه برای تولید Lead Zirconiate titanate ) PZT ) ، اکسید سرب، اکسید تیتانیم و اکسید زیرکونیم، ترکیبات اصلی هستند. براساس کاربرد و استفاده ای که از پیزوالکتریک تولیدی می شود، انواع متنوعی از عناصر دوپ شونده نیز به مخلوط افزوده می شود. که این عناصر دوپ شده موجب ایجاد خواص مورد نظر ما می شوند. سرامیک های PZT به ندرت بدون استفاده از افزودنی های دوپ شونده تولید می شوند. استفاده از عناصر دوپ شونده موجب اصلاح برخی از خواص این نوع سرامیک ها می شوند.

 افزودنی های دوپ شونده ای که در موقعیت های A قرار می گیرند باعث کاهش ضریب اتلاف (dissipation factor) شده که این مسأله بر روی تولید گرما تأثیر می گذارد، اما باعث کاهش ضرایب پیزوالکتریسیته (Piezoelectric coefficients) می شود. به همین دلیل پیزوالکتریک های تولیدی با این افزودنی ها بیشتر در کاربردهای التراسونیک و با فرکانس بالا استفاده می شوند. افزودنی های دوپ شونده ای که در موقعیت های B قرار می گیرند، باعث افزایش ضرایب پیزوالکتریسیته می شوند اما همچنین موجب افزایش ثابت دی الکتریک شده که این مسأله زیان آور است. پیزوالکتریک های تولیدی با این افزودنی ها دوپ شونده، به عنوان محرک در کنترل کننده صدا- لرزش (control vibration and noise) ، عضله های خم کننده (benders)، کاربردهای موقعیت یابی نوری (optical positioning application) و ... استفاده می شوند.

مخلوط نمودن پودر اکسیدهای مورد استفاده در تولید سرامیک های پیزوالکتریک یک به دو روش انجام می شود که در زیر بیان شده اند.
1-روش سایش خشک با بال میل
2-روش سایش تر با بال میل
هر دو روش تر و خشک دارای مزایا و معایبی هستند. روش سایش تر با بال میل سریع تر از روش خشک است. به هر حال عیب روش تر اضافه شدن مرحله ای برای جداسازی مایع از پودر تولیدی است. متداول ترین روش تولید PZT ها از سایش تر با بال میل بهره می گیرد. در روش سایش تر پودر این سرامیک ها با بال میل، از اتانول به عنوان مایع و از زیرکونیای تکلیس شده به عنوان محیط سایش استفاده می شود. البته ممکن است به جای یک آسیاب معمولی از یک آسیاب ارتعاشی (Vibratory mill) استفاده شود. این فرآیند که توسط Herner ابداع شده خطر آلودگی پودر با اجزای جدا شده از گلوله ها و محیط سایش را کاهش می دهد همچنین محیط زیرکونیا به خاطر کاهش ریسک آلودگی استفاده می شود.
البته مرحله ی تکلیس نیز یکی از مراحل تعیین کننده در تولید سرامیک های PZT است. این مرحله موجب کامل شدن فرآیند تبلور گشته که فاز پرسکیت در این مرحله تشکیل می شود. اهداف این مرحله خارج شدن مواد آلی و فرار از مخلوط است و واکنش اکسیدهای موجود در مخلوط برای ایجاد ترکیبات فازی مناسب قبل از فرآیند تولید قطعه است. همچنین از اهداف دیگر این مرحله کاهش حجم شرینکیج و یکنواختی بهتر در طی زینترینگ و پس از آن است. پس از تکلیس، یک ماده ی چسبنده به پودر افزوده می شود و مخلوط شکل دهی می شود. شکل دهی قطعات ساده با روش پرس خشک در قالب و برای بدنه های پیچیده تر، روش های اکستروژن و ریخته گری دوغابی استفاده می شود. پس از آن اشکال تولیدی زینترینگ می شود ( در واقع بوسیله یک آون مواد چسبنده ی آن خارج شده و دنس می شود.)
مشکل عمده در زینترینگ سرامیک های PZT، فراریت Pbo در دمای 800 درجه سانتی گراد است برای به حداقل رساندن این مشکل، نمونه های PZT در حضور یک منبع سرب مانند PbZro3 زینتر می شوند و در داخل یک بوته ی ذوب بسته حرارت دهی می شوند. اشباع شدن اتمسفر محل زینتر کردن با PbO باعث به حداقل رسیدن اتلاف سرب از بدنه های PZT می شود. در این شرایط زینترینگ می تواند در دمای متنوعی بین 1200-1300 درجه سانتیگراد انجام شود. با وجود این تدابیر پیش بینی شده معمولاً اتلاف 2-3% در مقدار سرب اولیه صورت می گیرد.
پس از برش و ماشین کاری قطعه به شکل مناسب، الکترودها تعبیه می شود و یک میدان DC برای جهت دهی به قلمرو دی پل های داخل سرامیک پلی کریستال اعمال می شود. قطب دار کردن بوسیله ی جریان DC می تواند در دمای اتاق و یا در دماهای بالاتر انجام شود. البته این مسأله به ماده و ترکیب سرامیک بستگی دارد.
فرایند پلاریزاسیون تنها اندکی دی پل های موجود در سرامیک پلی کریستال را هم جهت می کند و نتیجه ی پلاریزاسیون پلی کریستال کمتر از حالتی است که سرامیک تک کریستال باشد. این تکنیک تولید دارای ابهامات زیادی است البته تعداد زیادی از روش های تولید دیگر وجود دارد که سرامیک های PZT با خواص و ریزساختار عالی تولید می کنند. یک مشکل بوجود آمده در این روش انحراف از حالت استوکیومتری است. این مشکل اغلب به خاطر وجود ناخالصی در مواد اولیه و اتلاف سرب از بدنه در طی فرآیند زینترینگ بوجود می آید. که باعث تغییر خواص PZT در اثر جانشینی های ناخواسته، می شود. به عنوان یک نتیجه، خواص الاستیک در اثر این مشکل می تواند 5% ، خواص پیزوالکتریک 10% و خواص دیک الکتریک 20 درصد ( با یک بچ ثابت) تغییر کنند.
همچنین، خواص دی الکتریک و پیزوالکتریک عمدتاً به علت عدم وجود یکنواختی کاهش پیدا می کنند (این عدم یکنواختی به خاطر هم زدن کم اتفاق می افتد). این مسأله هنگامی که اکسیدهای اصلی هم گون باشد مهم می باشد. در روش های توضیح داده شده در بالا، به هرحال، اجزای اصلی به صورت محلول جامد در آمده و این نشان داده شده است که مخلوط شدن هم گون محلول جامد هنگامی که این مسأله امکان نداشته باشد، مشکل است.
روش های دیگر برای تولید سرامیک های پیزوالکتریک به شرح زیراند:
1) فرآیند هیدروترمال (Hydrothermal Processing)
2) روش های هم رسوبی (coprecipitation methods)
همچنین این نکته قابل توجه است که توسعه ی وسیعی در زمینه ی فرآیندهای تولید پودر (Powder Processing)، شکل دهی و زینترینگ بوجود آمده است که نتیجه ی این توسعه ها، افزایش کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک است.


منبع : راسخون