ریزساختار سرامیک ها

نویسندگان: کینگری یین
بینجی زو
هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
این مقاله عمدتاٌ به بررسی ریزساختار و خواص سرامیک های کاربردی (functional ceramics)، می پردازد. پس از بررسی مباحثی از جمله توصیف دانه، مرزدانه، مرزدانه های نانومتری، حفرات، ساختار دمین ها و رفتار مکانیکی، تمرکز بر روی روابط میان ترکیب فازی، شیمیایی و خواص سرامیک های کاربردی مختلف مانند سرامیک های مورد استفاده در خازن ها، سرامیک های پیزوالکتریک، سرامیک های شفاف، سرامیک های ترمیستوری، سرامیک های مغناطیسی، بیوسرامیک ها، سرامیک های لایه نازک و سرامیک های کوراندومی، می پردازیم.

توصیف های کلی

سرامیک های پیشرفته ی مدرن جزء مواد کلیدی در توسعه ی تکنولوژی های جدید می باشند. این مسئله در حالی است که سرامیک یک ماده ی قدیمی است. با توجه به کاربردهای مختلف، سرامیک های پیشرفته می توانند به سرامیک های ساختاری (structural ceramics) و سرامیک های کاربردی طبقه بندی شود، در حالی که سرامیک های کاربردی درصد قابل توجهی از سرامیک های پیشرفته را تشکیل می دهد. عموماً مواد غیر آلی پلی کریستالی که دارای خواص الکتریکی، الاستیک، بیولوژیکی، ابررسانایی و یا سایر عملکرد های شیمیایی هستند، سرامیک های کاربردی نامیده می شوند در حالی که سرامیک هایی که دارای عملکردهای مکانیکی، گرمایی و تا حدی عملکرد مناسب شیمیایی هستند، سرامیک های ساختاری، نامیده می شوند. در حال حاضر، مقادیر تولید سرامیک های کاربردی و سرامیک های ساختاری، سه به یک است. ارزش تولید سالانه ی سرامیک های کاربردی در حدود 7 میلیارد دلار آمریکاست. 21 % از این میزان برای خازن ها، 18 % برای سرامیک های مغناطیسی، 15 تا 16 % برای بسته های یکپارچه، 11 % برای سرامیک های پیزوالکتریکی، 5.6 % برای ترمیستورها، 5.1 % برای مبدل ها، 2.4 % برای زیرلایه و 1.9 نیز برای وریستورها می باشد. تمام این سرامیک های کاربردی به صورت گسترده در زمینه ی کامپیوتر، ارتباط تلفنی، تلویزیون، وسایل منزل، تکنولوژی فضایی، اتوماسیون، اتومبیل، مراقبت های پزشکی و ... استفاده می شوند. پست های ترانسفورماتوری زیادی در شانگهای وجود داشت. در تابستان های داغ، دمای بالا موجب می شود تا افزایش قابل توجهی در فشار روغن در محفظه های سرامیکی، ایجاد شود. این مسئله موجب انفجار در این ترانسفورماتورها، می شود. خوشبختانه، این مسئله در طی استفاده ی آزمایشی، رخ می دهد در غیر اینصورت، این مسئله خطر جانی ایجاد می کند و موجب خاموش شدن نواحی وسیعی می شود. ریزساختار مواد سرامیکی شامل تصاویر ساختاری مختلفی است که از انواع مختلفی از میکروسکوپ ها، بدست آمده است (شکل 1).
با توجه به کارهای Petzow، تمام نواحی فازی و برخی از عیوب ساختاری، در ریزساختار، انعکاس یافته است که در واقع تعیین کننده ی بسیاری از خواص می باشد. با توجه به کارهای انجام شده بوسیله ی Pask (1984)، ریزساختارها باید شامل اندازه و توزیع دانه ها و تخلخل ها، ترکیب و توزیع فازی، طبیعت مرزدانه ای، نقص ها، عیوب ساختاری، یکنواختی ترکیب، ساختارهای دمین باشد. سرامیک ها در واقع موادی هستند که از مواد اولیه ی پودری و از طریق فرایندهای مختلف، تولید می شوند. این مواد دارای خواص و ریزساختارهای خاص می باشند. بنابراین، ریزساختار به طور کامل، انعکاس دهنده ی فرایندهای تولید می باشد و موجب می شود تا خواص مواد تعیین شود. آنالیز ریزساختاری همچنین برای تعیین دیاگرام فازی، مهم می باشد و اساسی برای آنالیز خواص، اصلاح ساختاری در فرمولاسیون، بهبود فرایند، توجیه عقلی تولید و آنالیز شکست، می باشد. در ادامه، چند مثال در مورد اهمیت آنالیز ریزساختاری، آورده شده است.

مثال 1

پست های ترانسفورماتوری زیادی در شانگهای وجود داشت. در تابستان های داغ، دمای بالا موجب می شود تا افزایش قابل توجهی در فشار روغن در محفظه های سرامیکی، ایجاد شود. این مسئله موجب انفجار در این ترانسفورماتورها، می شود. خوشبختانه، این مسئله در طی استفاده ی آزمایشی، رخ می دهد در غیر اینصورت، این مسئله خطر جانی ایجاد می کند و موجب خاموش شدن نواحی وسیعی می شود. آنالیز ریزساختاری بر روی بقایای سرامیکی این ترانسفورماتورها، نشاندهنده ی این است که ذرات سیلیس دارای مرزدانه های تیزی در سرامیک های عایق کاری با کشش سطحی بالا هستند. این مسئله شواهدی است که نشاندهنده ی این است که ذرات سیلیسی به صورت کامل ذوب نشده اند و با فلدسپار و سایر فریت های شیشه ای و در حین زینترینگ، واکنش داده اند. این در حالی است که مرزدانه های ذرات سیلیسی مربوط به سرامیک های عایق کاری نرمال، با فاز شیشه ای خرده می شوند. ریزساختار نشاندهنده ی این است که بدنه ی سرامیکی به طور کامل زینتر نشده است بنابراین، این بدنه استحکام کششی پایین دارد و نمی تواند تحت فشار روغن بالا، تحمل داشته باشد.

مثال 2

در آزمون شکست با ولتاژ که بوسیله ی یک تولیدکننده ی هیترهای PTC در شهر Cixi ایالت ژجیانگ و بر روی قطعات سرامیکی، انجام شد، این قطعات تحت این آزمون شکسته نشدند اما بعد از بسته بندی و انتقال، ترک های بزرگی در آنها ایجاد شد که موجب از بین رفتن بیش از صد هزار قطعه سرامیکی شد. در آنالیز ریزساختار انجام شده بر روی سرامیک های PCT، این فهمیده شد که رشد غیر نرمال دانه و ایجاد دانه های با اندازه ی غیر متداول، عامل این شکست بوده است. در طی آزمون پانچ، دانه ی در طول محور خود، منبسط و یا منقبض می شود و بدین صورت تنش های باقیمانده ی بزرگی در آنها ایجاد می شود که در نهایت منجر به شکسته شدن آنها می شود. بنابراین، صفحات سرامیکی زینتر شده دارای استحکام نرمال هستند اما به دلیل تردی، ترک های میکرونی در آنها، ایجاد می شود. بعد از کشف عامل ایجاد کننده، برخی افزودنی ها، موجب شد تا از رشد غیر متعارف دانه ها، جلوگیری به عمل آید. بنابراین، این مشکل نیز حل شد.

مثال 3

لایه های نازک فروالکتریک به صورت گسترده ای در زمینه ی حافظه های فروالکتریکی غیر فرار و سیستم های الکترومکانیکی میکرویی، کاربرد دارند. ابعاد واحد مربوط به حافظه های فروالکتریک با دانسیته ی بالا، به 30 تا 100 نانومتر، کاهش یافته است. بنابراین، خواص فیزیکی مانند تشکیل دمین های فروالکتریکی، مکانیزم بازگشت پلاریزاسیون، خستگی پلاریزاسیون، تخریب و پیرسازی پلاریزاسیون، نیازمند بررسی در مقیاس زیر میکرون می باشد. میکروسکوپ پروبی- روبشی که در واقع بر پایه ی میکروسکوپ نیروی اتمی می باشد، می تواند الزامات مربوط به رزولیشنی تا 30 نانومتر را ایجاد کند و می تواند برای بررسی جزئیات مربوط به بازگشت پلاریزاسیون، استفاده شود. این مسئله اساسی مناسب برای بهبود خواص ضد تخریبی، ایجاد می کند. علاوه بر این، این نوع از میکروسکوپ ها، برای بررسی ریزساختار تمام سرامیک های نانومتری دیگر، مناسب هستند.
خواص مواد می تواند به دو گروه تقسیم بندی شود. یکی خواص ذاتی که در حقیقت عمدتاً به خواص داخلی ترکیب و ساختار کریستالی وابسته می باشد. این خواص همچنین به صفت های فروالکتریکی، فرومغناطیسی، نیمه رسانایی و ابر رسانایی ماده وابسته می باشد. گروه دیگر عبارتند از خواص غیر ذاتی. این خاصیت با ریزساختار در ارتباط می باشد. این وظیفه ی محققین سرامیک است که به بررسی روابط میان فرایند، ساختار و خواص بپردازند. در واقع در این میان، ریزساختار نقش مهمی ایفا می کند. در طی بسیاری از سمپوزیوم های جهانی که در 30 سال گذشته تشکیل شده است، این مسئله به صورت قابل توجهی مورد قبول قرار گرفته است که ریزساختار نقش مهمی در علم مواد دارد. این مسئله با تمرکز بر روی سطح مشترک و مرزدانه ها، انجام می شود. وقتی ابعاد دانه ها کاهش می یابد و به سطح نانومتری می رسد، میزان مرزدانه ها به صورت قابل توجهی افزایش می یابد. در این حالت، ماده به نانوسرامیک تبدیل می شود. کنترل ریزساختار یک روش مهم در بدست آوردن مواد با خواص مناسب است.
در مراحل اولیه، میکروسکوپ های نوری ابزارهای اصلی مورد استفاده برای مشاهده ریزساختار بود، در حالی که ابزارهای مشاهده ی کنونی توسعه یافته اند و علاوه بر میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ های الکترونی عبوری (TEM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ اکوستیک الکترونی- روبشی (SEAM)، میکروسکوپ دی الکتریک غیر خطی- روبشی (SNDM)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ لیزری و یا فروسرخ نیز مورد استفاده قرار می گیرند. این میکروسکوپ ها، رزولیشنی از یک میکرون تا 30 نانومتر دارند و حتی برخی از آنها رزولیشنی در حدود 0.5 نانومتر دارند. بنابراین، بررسی دقیق و کامل خواص ماده مانند خاصیت نوری، الکترونیکی، مکانیکی، گرمایی و ... با این ابزارها، مقدور می شود. در حال حاضر، این ابزارها از بررسی ساده ی میکروساختار مواد تا کنترل مواد و تولید مواد با ساختار بهبود یافته، مورد استفاده قرار می گیرند.
بسیاری از خواص مربوط به سرامیک ها، از قانون ترکیب، پیروی می کنند. برای مثال، جرم بر واحد حجم با افزایش تخلخل، کاهش می یابد. دانسیته و یا ظرفیت گرمایی عموماً ترکیب تمام فازهای ماده می باشد و رسانایی گرمایی نیز محدود به قوانین مشابه می باشد. به هر حال، برخی از خواص دیگر مربوط به سرامیک ها، به اصل ترکیب، محدود نمی باشد. برای مثال، مقادیر اندک از افزودنی های فاز ثانویه، می تواند به طور قابل توجهی، موجب تغییر رسانایی الکتریکی ماده شود. برخی از خواص مواد مخصوصاً آنهایی که مرتبط با فرایندهای کاربردی و انتقال انرژی هستند، می توانند بوسیله ی برهمکنش های میان دانه ها و فازها، تحت تأثیر قرار گیرند. بسیاری از پدیده ها و خواص مرتبط با خواص برهمکنشی، مانند هم ترازی مربوط به دمین های الکتریکی در سرامیک های فروالکتریک تحت میدان های الکتریکی، موجب بروز عملکردهای با انرژی بالا در ناحیه ی مرزدانه ای می شوند و اثر فضایی و همچنین میدان القایی در این مرزدانه ها، به طور قابل توجهی، تحت تأثیر می باشد.
فاکتورهای کلیدی مربوط به ریزساختار سرامیک های کاربردی، بعدها، دوباره مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

دانه

خواص و نوع دانه برای درک ریزساختار سرامیک های کاربردی و خواص فیزیکی آنها، مهم می باشد. از این رو، ما این موارد را به صورت جزئی، مورد بررسی قرار خواهیم داد.

نوع دانه

دانه (یا در حقیقت فاز کریستالی اصلی) بدنه ی اصلی مربوط به ریزساختار ماده می باشد. این دانه ها می توانند سه نوع مختلف از بافت را ایجاد کنند. این بافت های مختلف عبارتند از: بافت ایدیمورفیک (idiomorphic)، بافت شبه ایدیمورفیکی (semi-idiomorphic) و بافت گرانولی زیرومورفیکی (xenomorphic granular texture) (شکل 2). رشد دانه در یک شرایط زینترینگ مناسب منجر به ایجاد ساختار کریستالی با شکل ویژه می شود و موجب ایجاد بافت های ایدیمورفیکی می شود. رشد دانه ها در یک شرایط نامناسب و یا محدود کننده، منجر به بروز شکل های خاصی می شود که به آنها بافت شبه ایدیمورفیکی می گویند. علاوه بر این، دانه های با شکل غیر عادی و اندازه ی مختلف موجب تشکیل بافت دانه ای زیرومورفیکی می شود، مخصوصاٌ این مسئله در سرامیک های کاربردی، مشاهده می شود. با توجه به الزامات مختلف مربوط به مواد کاربردی، فاز کریستالی اصلی انتخاب خواهد شد. برای مثال، موادی که دارای نفوذ مغناطیسی زیاد هستند (مانند روتایل و تیتانات باریم) به عنوان فاز اصلی انتخاب می شوند. موادی که دارای رسانایی یونی پایین و یا پیوند کوالانسی هستند (مانند آلفا آلومینا یا BeO)، انتخاب می شوند. مواد فروالکتریک بدون مرکز تقارن در ساختار کریستالی نیز مواد با خواص الکترو- مکانیکی مطلوبی هستند که علت این مسئله، پلاریزاسیون آنی بالای این مواد می باشد. استحاله ی فازی القا شده تحت میدان موجب بروز تغییراتی در خواص نوری برخی مواد می شوند. این مسئله می تواند در برخی از کاربردها، از جمله عملکردهای الکترو- اپتیکی (سوئیچ های نوری) و یا مواد ذخیره سازی، استفاده شود. ابعاد برخی از مواد می تواند به صورت تکراری و پیوسته و تحت میدان تغییر کند. این مسئله نیز می تواند در قطعات الکترواستاتیکی و یا فعال کننده ها، استفاده شود. برخی از فلزات انتقالی (مانند عناصر خاک های نادر)، فاصله ی زاویه ای خود را بعد از اتصال یافتن به ترکیبی با خاصیت مغناطیسی، حفظ می کنند (مثلا موادی همچون فریت منگنز- روی) که می تواند به عنوان یک ماده ی مغناطیسی، مورد استفاده قرار گیرد. خواص دانه ها و یا فازهای کریستالی اصلی به طور قابل توجهی موجب تغیین خواص ماده می شود. برای مثال، در طی توسعه ی پرسلان های ولتاژ بالا در حدود 50 سال گذشته، فازهای کریستالی اصلی از مولایت- سیلیس، به سمت کوراندوم انتقال یافته است. این مسئله با افزایش در استحکام روبرو بوده است. علاوه بر کریستال اصلی، اندازه ی دانه همچنین می تواند بر روی خواص مؤثر باشد. از آنجایی که دانه از ذرات پودر اولیه و پس از فرآیند نفوذ،حذف گاز و مهاجرت مرزدانه ها در طی زینترینگ، ایجاد می شود، اندازه ی دانه به میزان پودری بودن مواد اولیه، ترکیب، فاز افزوده شده و فرایند زینترینگ، وابسته می باشد. عموماً هموژن بودن دانه ها، برای ریزساختار، ترجیح داده می شود بنابراین، پراکنده سازی مناسب و یا آگلومره شدن، توزیع اندازه ی ذره ی و وجود فاز ثانویه بر روی ریزساختار، مؤثر می باشد. مواد اولیه ی با توزیع اندازه ی ذره ی باریک، فاز ثانویه ی مناسب و فرایند شکل دهی مطلوب، موجب ایجاد ریزساختار هموژن می شود. در برخی موارد، دانه های ریز یک دانه ی درشت تر را در بر می گیرند (رشد غیر نرمال دانه)، این مسئله موجب بروز انقباض و انبساط گرمایی مختلف در طول محور کریستالی و ایجاد آنیزوتروپی می شود. عموماً تمرکز تنش در طول مرزدانه های بزرگتر رخ می دهد. این بخش ها، بخش های حساس الکتریکی و مکانیکی است و در آنها میکروترک ها تشکیل می شوند (شکل 3). عقلانیت مربوط به فرایندهای زینترینگ، می تواند از شکل دانه ها و مورفولوژی مربوط به کریستال ها، تشخیص داده شود (شکل 4). برای موادی با ساختار دمینی شکل، اندازه ی دانه ی کوچکتر از ابعاد بحرانی، بر روی توسعه ی دمین های الکتریکی و مغناطیسی، مؤثر می باشد. این مسئله در نهایت بر روی خواص دی الکتریکی و فروالکتریکی ماده، مؤثر می باشد. استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Microstructure, property and processing of functional ceramics/ Qingrui Yin, Binghe Zhu, Huarong Zeng