نویسنده: کینگری یین، بینجی زو، هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
دانه ها در واقع خواصی مشابه تک کریستال ها با ترکیب مشابه را دارند. به صورت ایده آل، تمام نواحی میکرونی در یک دانه دارای خواص مشابهی است. به هر حال، تفاوت در ترکیب و خواص می تواند در میان نواحی مرزدانه ای و نواحی داخلی، مشاهده شود. دو نوع از کریستال ها که تشکیل می شود می تواند در یک دانه مشاهده شود (شکل 1).
نواحی میکرویی با تفاوت های اندک در زاویه ی محور نوری در یک دانه از سرامیک های فریتی، یافت شده است. یکنواختی در مقیاس نانومتری، در داخل دانه های مربوط به سرامیک های محلول جامد از جنس PbInNbO_3-PbMgNbO_3 مشاهده می شود که علت آن، عیوب مربوط به فرایند می باشد. از آنجایی که دانه ها از طریق نفوذ و مهاجرت مرزدانه ای در طی زینترینگ، ایجاد می شود، یکنواختی در داخل دانه ها، نمی تواند ایجاد شود اگر، فرایند خارج از حالت تعادلی باشد. بنابراین ناخالصی های موجود در مواد اولیه، مهاجرت مرزدانه ها و نفوذ، هنوز در دانه های غیر یکنواخت، موجود هستند. این مسئله در بسیاری از سرامیک های کاربردی حاوی محلول جامد مانند PZT، BaTiO_3 و فریت ها، مشاهده می شود. با توجه به کارهای Laurent و همکارانش در سال 2001، وقتی La-PZT از طریق اکسیدهایش، آماده سازی می شود، حفراتی به دلیل اچ شیمیایی و اختلاف ترکیب زیرکونیم و تیتانیم در داخل دانه ها، ایجاد می شود. در واقع سرعت نفوذ زیرکونیم، تیتانیم و La در این بخش ها، متفاوت است. این مسئله زمانی مشاهده می شود که می خواهیم La-PZT را از پیش ماده های آن، تولید کنیم. در این حالت نه تخلخل و نه گرادیان ترکیبی در داخل دانه ها، یافت می شود. علاوه بر این،، اندازه ی دانه ها می تواند همچنین بر روی خواص، مؤثر باشد. برای مثال، در سرامیک های پیزوالکتریک، میدان کوئرسیو با کاهش اندازه ی دانه، افزایش می یابد. علاوه بر این، تفاوت در استحاله ی فازی در مورد مواد با دانه های ریزتر، بیشتر است. ذرات صفحه ای آلومینا با شکل هگزاگونال به عنوان دانه های تمپلیتی، مورد استفاده قرار گرفت (10 % وزنی) و رشد جهت دار آنها با ریخته گری نواری افزایش یافت. Tartaj و همکارانش در سال 2001 اثبات کردند که میزان تتراگونالیتی (c/a) برای سرامیک های PbTiO_3 با کاهش اندازه ی دانه، کاهش می یابد. این مسئله واضح است که در این حالت، میزان تنش های داخلی نیز متفاوت خواهد بود.
مشابه با ریزساختار سرامیک های فروالکتریک، رابطه ی میان اندازه ی دانه و خواص، کاملا پیچیده است. BaTiO_3 نیز به عنوان یک مثال در مباحث آینده در نظر گرفته می شود.
خازن های سرامیکی یکی از وسایل الکترونیکی هستند که دارای حجم فروش بالایی در بازار مربوطه می باشند. خازن های BaTiO_3 به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند و ضریب دی الکتریک آنها به صورت نرمال، در گستره ی 1200 تا 1500 می باشد، در حالی که سرامیک های BaTiO_3 ریزدانه، می توانند ضریب دی الکتریکی در گستره ی 4000 تا 5000 و یا حتی 6000 را داشته باشند. به هر حال، در تک کریستال های BaTiO_3 این ضریب در طول محور c، برابر 4000 و در طول محور a، تنها 170 است. یعنی متوسط این ضریب در گستره ی 950 تا 1200 می باشد. این مسئله با توصیف و توجیهی همراه نبوده است. در حال حاضر، دو توصیف در مورد این مسئله وجود دارد:
W R Buessem و همکارانش در سال 1966، L Metoseriu و همکارانش در سال 1999 و سایر محققین به این مسئله رسیدند که مقدار بالای ضریب دی الکتریک بواسطه ی تنش های داخلی ایجاد شده اند. این در حالی که G Arlt، D Hennings و سایرین، این تصور را داشتند که میزان بالای این ضریب بواسطه ی تعداد زیاد دیواره های دمینی ایجاد می شود که در مواد با دانه ی ریز، وجود دارد.
با توجه به تئوری اول، وقتی سرامیک از دماهای بالا خنک می شود و به دمای T_c می رسد، استحاله ی فازی از فاز مکعبی به فاز تتراگونال، در تک کریستال های BaTiO_3 رخ می دهد و تغییر شکل در طی آن رخ می دهد که علت آن این است که سطوح آن عاری از محدودیت می باشند. به هر حال، در سرامیک های BaTiO_3 ، سطوح دانه ها نمی توانند به صورت آزادانه حرکت کنند، زیرا آنها بوسیله ی دانه های دیگر، احاطه شده اند و بنابراین، تنش های داخلی در زیر دمای T_c ایجاد می شود. بسیاری از دمین های 90 درجه، می تواند ایجاد شوند و بدین صورت تنش های داخلی در سرامیک های با دانه های درشت ایجاد می شود در حالی که دمین های 90 درجه ی اندک، هنوز هم در سرامیک های ریزدانه، مشاهده می شود. این مسئله موجب پل زنی تنش های داخلی بزرگ برای سرامیک های با دانه های ریز شود. با وجود تنشی در حدود 64 MPa، می توان به ضریب دی الکتریک 3000 رسید. اگر این تنش به حدود 80 MPa برسد، ضریب دی الکتریک حتی به 6000 نیز می ر سد. بنابراین، مسئله ی کاهش تتراگونالیتی با کاهش اندازه ی دانه، موجب می شود تا مقادیر بالای ثابت دی الکتریکی مربوط به سرامیک های BaTiO_3 ریزدانه می تواند بوسیله ی ترکیبی از تنش های داخلی بزرگ در زیر دمای T_c و همچنین عدم وجود دمین های 90 درجه، ایجاد شود.
با توجه به تئوری دوم، دمین های اندک 90 درجه در سرامیک های BaTiO_3 ریزدانه (همانگونه که در تئوری اول گفته شد)، بواسطه ی عیوب مربوط به روش اچ شیمیایی، ایجاد شده اند. G Arlt بیان کرده است که دمین های 90 درجه ، بعد از بهبود روش آماده سازی برای خوردگی، مشهود است. او همچنین گفته است که عرض دمین های فروالکتریکی (d) با کاهش در اندازه ی دانه ها (a) کاهش می یابد.
G Arlt همچنین به اثبات رساند که یک تعداد بزرگتر از دیواره های دمین منجر به تغییر در ضریب دی الکتریک می شود. این ضریب می تواند در قطر دانه ی متوسط 0.8 تا 1.0 میکرون، به 5000 نیز برسد. وقتی اندازه ی دانه دوباره کاهش می یابد، میزان ضریب دی الکتریک باز هم کاهش می یابد و کریستال در دمای اتاق تشکیل می شود که در واقع این مسئله موجب تغییر از حالت سیستم تتراگونال به سیستم ارتورومبیک، می شود.
G Arlt و همکارانش مشارکت تنش داخلی را حذف نکردند و اثر این دو فاکتور را با هم در نظر گرفتند. البته این مسئله باید تحت بررسی بیشتر قرار گیرد.
L Metoseriu و همکارانش نشان دادند که دمای انتقال و تتراگونالیتی، در زمان کاهش اندازه ی دانه، کاهش می یابد اما تنش های داخلی در این حالت، افزایش می یابد.
K Okazaki و همکارانش در سال 1973 اثبات کردند که در PZT های پیزوالکتریک و فروالکتریک و سرامیک های PLZT، با کاهش اندازه ی دانه، T_c افزایش می یابد. این بدین معناست که با کاهش اندازه ی دانه، خواص پیزوالکتریک بهبود می یابد و میدان کوئرسیو، افت می کند. تئوری بار فضایی می تواند برای توصیف این پدیده، مورد استفاده قرار گیرد. این مطلوب است که فکر کنیم که با کاهش اندازه ی دانه، محدودیت نیز افزایش می یابد و این مسئله موجب بروز خواص قطبی و دی الکتریک، می شود. دانه های ریزتر همچنین به این معناست که مرزدانه های بیشتری در ماده وجود دارد و این مسئله موجب می شود تا برخی از خواص ماده انتقال پیدا کند. مشابه وابستگی اندازه ی دانه به انتقال فازی، افزایش یا کاهش در دمای انتقال، به انقباض و یا انبساط مربوط به دانه ها در طی انتقال فازی، وابسته می باشد.
با کاهش اندازه ی دانه، میدان باز فضایی افزایش می یابد. این مسئله موجب محدود شدن حرکت دیواره ی دمین ها می شود و بنابراین، موجب افزایش پایداری فرکانس رزونانس در مواد پرکننده ی پیزوالکتریک، می شود. مواد PZT با دانه های ریز اغلب دارای تافنس شکست بالاتری نسبت به دانه های درشت تر، هستند (تقریباً 40 %).
اندازه ی دانه در ابررساناها همچنین بر روی زبری آنها مؤثر می باشد، در حالی که مواد مغناطیسی با دانه های ریز، دارای مغناطش اشباع بالاتری هستند و میدان کوئرسیو و فرکانس رزونانس آنها نیز پایین تر است.
عموماً محور نوری هر دانه در سرامیک ها، به صورت تصادفی است، بنابراین، خواص مربوط به سرامیک ها، مقداری متوسط برای همه ی دانه هاست. امروزه این مسئله ممکن است که دانه ها را در طول جهت مشخصی قرار دهیم تا بدین صورت سرامیک هایی با خواص جهت دار ایجاد کنیم (مشابه چیزی که در تک کریستال ها، رخ می دهد). روش های زیر می تواند برای بدست آوردن این ریزساختار مورد استفاده قرار گیرد:
فرج گرم و یا زینترینگ با پرس گرم
انجماد یوتکتیک
زینترینگ رشد دانه با تمپلیت
روش فرج گرم می تواند برای تولید دانه های هم ارز مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، پیزوالکتریسیته در برخی از سیستم های فروالکتریک لایه ای که حاوی Bi می باشد، قوی نیست (K_p این مواد در حد 0.2 می باشد). به هر حال، K_t این مواد می تواند با دوپ کردن این مواد با MnO، NiO، Cr_2 O_3، به 0.35 تا 0.42 افزایش یابد. به دلیل مزیت هایی مانند پایداری دمایی مناسب فرکانس رزونانسی، ثابت دی الکتریک پایین (ε) (100 تا 200)، دمای کوری بالا (T_c) (بالاتر از 550 درجه ی سانتیگراد)، مقاومت خوب در برابر تخریب، این مواد می توانند به صورت مؤثر در فرکانس های بالا استفاده شوند. ثابت دی الکتریک (ε) عمود بر جهت فرج گرم، نسبت به جهت موازی با جهت فرج گرم، متفاوت است (جدول 1).
M M Seabaugh در سال 1997 سرامیک های کوراندومی بسیار جهت داری را از طریق روش زینترینگ رشد دانه با تمپلیت، تولید کردند. در فرایند تولید از مواد زیر استفاده شد:
ژیپس کلوئیدی (15 % وزنی) به عنوان پیش ماده ی آلومینا استفاده شد.
ذرات آلفا آلومینا (با اندازه ی زیر 0.1 میکرون) به عنوان عامل جوانه زا برای انتقال فازی استفاده شد (به میزان 0.2 % وزنی).
فاز شیشه ای Ca، Si (1:1) برای افزایش سرعت رشد، استفاده شد (به میزان 5 % وزنی).
ذرات صفحه ای آلومینا با شکل هگزاگونال به عنوان دانه های تمپلیتی، مورد استفاده قرار گرفت (10 % وزنی) و رشد جهت دار آنها با ریخته گری نواری افزایش یافت.
مراحل آماده سازی مربوطه شامل ایجاد مخلوطی هموژن از مواد اشاره شده در بالا، ریخته گری نواری بر روی زیرلایه ی شیشه ای برای بدست آوردن یک فیلم با ضخامت 500 میکرون، خشک کردن و کلیسیناسیون فیلم در دمای 600 درجه ی سانتیگراد و زمان یک ساعت، می باشد. زینترینگ در دمای 1100 تا 1600 درجه و زمان 6 ثانیه تا 6 ساعت ادامه یافت. سطوح نمونه های زینتر شده با استفاده از اسید هیدروفلئوریک شستشو شد تا بدین صورت فاز شیشه ای حذف شود و قابلیت بررسی نمونه با استفاده از SEM مقدور شود. ریزساختاریی سرامیک های اولیه نشاندهنده ی آرایش تصادفی این مواد است در حالی که سرامیک های آماده سازی شده با روش زینترینگ رشد دانه ی تمپلیتی، دارای ساختاری جهت دار می باشند.
با زینترینگ رشد دانه ی تمپلیتی، Sabolsky سرامیک های جهت داری را با آنیزوتروپی قابل توجه در سیستم نیوبات، تولید کرد.
J S Patwardhan در سال 2002، مواد Bi_4 Ti_3 O_12 را با روش فورج گرم دانه های و بر پایه ی روش تمپلیت تولید کرد و سرامیکهایی با جهت گیری قوی، تولید کرد. علاوه بر این، تغییر اندک در ترکیب این سیستم مانند افزایش Bi یا Ti به میزان 1 % جرمی، می تواند موجب تغییر قابل توجه در ریزساختار شود.
از آنجایی که سرامیک ها در دماهای بالا زینتر می شوند و حلالیت آنها معمولاً با کاهش دما، کاهش می یابد، برخی عناصر در طی کاهش دما، رسوب می کنند و یا جدایش پیدا می کنند. این مسئله اغلب در مرزدانه ها رخ می دهد. جدایش اتفاق افتاده در مرزدانه ها، 100 تا 1000 برابر بیشتر از جدایش اتفاق افتاده در دانه هاست. با تنظیم این جدایش، خواص مواد می تواند بهبود یابد و یا حتی مواد جدید توسعه یابد. علاوه بر این، فاز ثانویه در مرزدانه ها می تواند موجب کاهش در دمای زینترینگ شود و از انتقال فازی جلوگیری کند (شکل 2). این مسئله همچنین می تواند موجب محدود شدن رشد دانه شود و بدین صورت ساختاری از دانه های ریز تشکیل شود.
تحت دما بالا، نفوذ در مرزدانه ها بیشتر از نفوذ در داخل دانه هاست که علت این مسئله، عدم وجود نظم در مرزدانه ها و همچنین ساختار شبه مایع این بخش ها، می باشد. Paterson نشان داد که در دمای زینترینگ (حدود دو سوم دمای ذوب)، جهش اتمی در صفحات معیوب (مرزدانه ها) میلیون ها برابر سریع تر از شبکه ی منظم است. انتقال جرم در مرزدانه ها و در طی زینترینگ، مشابه حمل و نقل در یک شهر است. در مواد ABO_3 مانند BaTiO_3 و PbZrTiO_3، اکسیژن می تواند به سهولت از طریق نفوذ جاهای خالی اکسیژن در ساختار این ماده، حذف شود اما نیتروژن نمی تواند این کار را انجام دهد و بنابراین، زینترینگ این سرامیک ها در اتمسفر اکسیژن موجب می شود تا مواد ترانسپارنت با دانسته ی بالا تولید شود اما نیتروژن در زمان زینترینگ در اتمسفر نیتروژن و یا هوا، به سختی با انتقال ماده حذف می شود. تکنیک های زینترینگ برای سرامیک های شفاف می تواند بوسیله ی جدایش و یا نفوذ کنترل شده، طراحی شود.
موانع بالقوه ای بوسیله ی جدایش اکسیدها وناخالصی ها ایجاد می شوند و این مسئله ممکن است منجر به ایجاد اثرات PTC شود که در حقیقت برای توسعه ی مواد گرم کننده ی خود تنظیمی مناسب می باشند.
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
مترجم: حبیب الله علیخانی
دانه ها در واقع خواصی مشابه تک کریستال ها با ترکیب مشابه را دارند. به صورت ایده آل، تمام نواحی میکرونی در یک دانه دارای خواص مشابهی است. به هر حال، تفاوت در ترکیب و خواص می تواند در میان نواحی مرزدانه ای و نواحی داخلی، مشاهده شود. دو نوع از کریستال ها که تشکیل می شود می تواند در یک دانه مشاهده شود (شکل 1).
مشابه با ریزساختار سرامیک های فروالکتریک، رابطه ی میان اندازه ی دانه و خواص، کاملا پیچیده است. BaTiO_3 نیز به عنوان یک مثال در مباحث آینده در نظر گرفته می شود.
خازن های سرامیکی یکی از وسایل الکترونیکی هستند که دارای حجم فروش بالایی در بازار مربوطه می باشند. خازن های BaTiO_3 به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند و ضریب دی الکتریک آنها به صورت نرمال، در گستره ی 1200 تا 1500 می باشد، در حالی که سرامیک های BaTiO_3 ریزدانه، می توانند ضریب دی الکتریکی در گستره ی 4000 تا 5000 و یا حتی 6000 را داشته باشند. به هر حال، در تک کریستال های BaTiO_3 این ضریب در طول محور c، برابر 4000 و در طول محور a، تنها 170 است. یعنی متوسط این ضریب در گستره ی 950 تا 1200 می باشد. این مسئله با توصیف و توجیهی همراه نبوده است. در حال حاضر، دو توصیف در مورد این مسئله وجود دارد:
W R Buessem و همکارانش در سال 1966، L Metoseriu و همکارانش در سال 1999 و سایر محققین به این مسئله رسیدند که مقدار بالای ضریب دی الکتریک بواسطه ی تنش های داخلی ایجاد شده اند. این در حالی که G Arlt، D Hennings و سایرین، این تصور را داشتند که میزان بالای این ضریب بواسطه ی تعداد زیاد دیواره های دمینی ایجاد می شود که در مواد با دانه ی ریز، وجود دارد.
با توجه به تئوری اول، وقتی سرامیک از دماهای بالا خنک می شود و به دمای T_c می رسد، استحاله ی فازی از فاز مکعبی به فاز تتراگونال، در تک کریستال های BaTiO_3 رخ می دهد و تغییر شکل در طی آن رخ می دهد که علت آن این است که سطوح آن عاری از محدودیت می باشند. به هر حال، در سرامیک های BaTiO_3 ، سطوح دانه ها نمی توانند به صورت آزادانه حرکت کنند، زیرا آنها بوسیله ی دانه های دیگر، احاطه شده اند و بنابراین، تنش های داخلی در زیر دمای T_c ایجاد می شود. بسیاری از دمین های 90 درجه، می تواند ایجاد شوند و بدین صورت تنش های داخلی در سرامیک های با دانه های درشت ایجاد می شود در حالی که دمین های 90 درجه ی اندک، هنوز هم در سرامیک های ریزدانه، مشاهده می شود. این مسئله موجب پل زنی تنش های داخلی بزرگ برای سرامیک های با دانه های ریز شود. با وجود تنشی در حدود 64 MPa، می توان به ضریب دی الکتریک 3000 رسید. اگر این تنش به حدود 80 MPa برسد، ضریب دی الکتریک حتی به 6000 نیز می ر سد. بنابراین، مسئله ی کاهش تتراگونالیتی با کاهش اندازه ی دانه، موجب می شود تا مقادیر بالای ثابت دی الکتریکی مربوط به سرامیک های BaTiO_3 ریزدانه می تواند بوسیله ی ترکیبی از تنش های داخلی بزرگ در زیر دمای T_c و همچنین عدم وجود دمین های 90 درجه، ایجاد شود.
با توجه به تئوری دوم، دمین های اندک 90 درجه در سرامیک های BaTiO_3 ریزدانه (همانگونه که در تئوری اول گفته شد)، بواسطه ی عیوب مربوط به روش اچ شیمیایی، ایجاد شده اند. G Arlt بیان کرده است که دمین های 90 درجه ، بعد از بهبود روش آماده سازی برای خوردگی، مشهود است. او همچنین گفته است که عرض دمین های فروالکتریکی (d) با کاهش در اندازه ی دانه ها (a) کاهش می یابد.
G Arlt همچنین به اثبات رساند که یک تعداد بزرگتر از دیواره های دمین منجر به تغییر در ضریب دی الکتریک می شود. این ضریب می تواند در قطر دانه ی متوسط 0.8 تا 1.0 میکرون، به 5000 نیز برسد. وقتی اندازه ی دانه دوباره کاهش می یابد، میزان ضریب دی الکتریک باز هم کاهش می یابد و کریستال در دمای اتاق تشکیل می شود که در واقع این مسئله موجب تغییر از حالت سیستم تتراگونال به سیستم ارتورومبیک، می شود.
G Arlt و همکارانش مشارکت تنش داخلی را حذف نکردند و اثر این دو فاکتور را با هم در نظر گرفتند. البته این مسئله باید تحت بررسی بیشتر قرار گیرد.
L Metoseriu و همکارانش نشان دادند که دمای انتقال و تتراگونالیتی، در زمان کاهش اندازه ی دانه، کاهش می یابد اما تنش های داخلی در این حالت، افزایش می یابد.
K Okazaki و همکارانش در سال 1973 اثبات کردند که در PZT های پیزوالکتریک و فروالکتریک و سرامیک های PLZT، با کاهش اندازه ی دانه، T_c افزایش می یابد. این بدین معناست که با کاهش اندازه ی دانه، خواص پیزوالکتریک بهبود می یابد و میدان کوئرسیو، افت می کند. تئوری بار فضایی می تواند برای توصیف این پدیده، مورد استفاده قرار گیرد. این مطلوب است که فکر کنیم که با کاهش اندازه ی دانه، محدودیت نیز افزایش می یابد و این مسئله موجب بروز خواص قطبی و دی الکتریک، می شود. دانه های ریزتر همچنین به این معناست که مرزدانه های بیشتری در ماده وجود دارد و این مسئله موجب می شود تا برخی از خواص ماده انتقال پیدا کند. مشابه وابستگی اندازه ی دانه به انتقال فازی، افزایش یا کاهش در دمای انتقال، به انقباض و یا انبساط مربوط به دانه ها در طی انتقال فازی، وابسته می باشد.
با کاهش اندازه ی دانه، میدان باز فضایی افزایش می یابد. این مسئله موجب محدود شدن حرکت دیواره ی دمین ها می شود و بنابراین، موجب افزایش پایداری فرکانس رزونانس در مواد پرکننده ی پیزوالکتریک، می شود. مواد PZT با دانه های ریز اغلب دارای تافنس شکست بالاتری نسبت به دانه های درشت تر، هستند (تقریباً 40 %).
اندازه ی دانه در ابررساناها همچنین بر روی زبری آنها مؤثر می باشد، در حالی که مواد مغناطیسی با دانه های ریز، دارای مغناطش اشباع بالاتری هستند و میدان کوئرسیو و فرکانس رزونانس آنها نیز پایین تر است.
بیشتر بخوانید: سرامیک های بیوفعال
عموماً محور نوری هر دانه در سرامیک ها، به صورت تصادفی است، بنابراین، خواص مربوط به سرامیک ها، مقداری متوسط برای همه ی دانه هاست. امروزه این مسئله ممکن است که دانه ها را در طول جهت مشخصی قرار دهیم تا بدین صورت سرامیک هایی با خواص جهت دار ایجاد کنیم (مشابه چیزی که در تک کریستال ها، رخ می دهد). روش های زیر می تواند برای بدست آوردن این ریزساختار مورد استفاده قرار گیرد:
فرج گرم و یا زینترینگ با پرس گرم
انجماد یوتکتیک
زینترینگ رشد دانه با تمپلیت
روش فرج گرم می تواند برای تولید دانه های هم ارز مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال، پیزوالکتریسیته در برخی از سیستم های فروالکتریک لایه ای که حاوی Bi می باشد، قوی نیست (K_p این مواد در حد 0.2 می باشد). به هر حال، K_t این مواد می تواند با دوپ کردن این مواد با MnO، NiO، Cr_2 O_3، به 0.35 تا 0.42 افزایش یابد. به دلیل مزیت هایی مانند پایداری دمایی مناسب فرکانس رزونانسی، ثابت دی الکتریک پایین (ε) (100 تا 200)، دمای کوری بالا (T_c) (بالاتر از 550 درجه ی سانتیگراد)، مقاومت خوب در برابر تخریب، این مواد می توانند به صورت مؤثر در فرکانس های بالا استفاده شوند. ثابت دی الکتریک (ε) عمود بر جهت فرج گرم، نسبت به جهت موازی با جهت فرج گرم، متفاوت است (جدول 1).
ژیپس کلوئیدی (15 % وزنی) به عنوان پیش ماده ی آلومینا استفاده شد.
ذرات آلفا آلومینا (با اندازه ی زیر 0.1 میکرون) به عنوان عامل جوانه زا برای انتقال فازی استفاده شد (به میزان 0.2 % وزنی).
فاز شیشه ای Ca، Si (1:1) برای افزایش سرعت رشد، استفاده شد (به میزان 5 % وزنی).
ذرات صفحه ای آلومینا با شکل هگزاگونال به عنوان دانه های تمپلیتی، مورد استفاده قرار گرفت (10 % وزنی) و رشد جهت دار آنها با ریخته گری نواری افزایش یافت.
مراحل آماده سازی مربوطه شامل ایجاد مخلوطی هموژن از مواد اشاره شده در بالا، ریخته گری نواری بر روی زیرلایه ی شیشه ای برای بدست آوردن یک فیلم با ضخامت 500 میکرون، خشک کردن و کلیسیناسیون فیلم در دمای 600 درجه ی سانتیگراد و زمان یک ساعت، می باشد. زینترینگ در دمای 1100 تا 1600 درجه و زمان 6 ثانیه تا 6 ساعت ادامه یافت. سطوح نمونه های زینتر شده با استفاده از اسید هیدروفلئوریک شستشو شد تا بدین صورت فاز شیشه ای حذف شود و قابلیت بررسی نمونه با استفاده از SEM مقدور شود. ریزساختاریی سرامیک های اولیه نشاندهنده ی آرایش تصادفی این مواد است در حالی که سرامیک های آماده سازی شده با روش زینترینگ رشد دانه ی تمپلیتی، دارای ساختاری جهت دار می باشند.
با زینترینگ رشد دانه ی تمپلیتی، Sabolsky سرامیک های جهت داری را با آنیزوتروپی قابل توجه در سیستم نیوبات، تولید کرد.
J S Patwardhan در سال 2002، مواد Bi_4 Ti_3 O_12 را با روش فورج گرم دانه های و بر پایه ی روش تمپلیت تولید کرد و سرامیکهایی با جهت گیری قوی، تولید کرد. علاوه بر این، تغییر اندک در ترکیب این سیستم مانند افزایش Bi یا Ti به میزان 1 % جرمی، می تواند موجب تغییر قابل توجه در ریزساختار شود.
ساختارهای مرزدانه ای
مرزدانه ها به عنوان یک سطح مشترک مهم در ریزساختار سرامیک های کاربردی، نقش مهمی در رشد دانه ها و جوانه زنی دمین ایفا می کنند. ساختارهای مرزدانه ای، خواص آنها و مرزدانه های نانومتری نیز در اینجا، وجود دارند.مفاهیم مربوط به ساختارهای مرزدانه ای
مواد اولیه برای تولید مواد سرامیکی، پودرهای مواد اولیه با ابعاد ریز می باشد. بسیاری از جوانه های کریستال ها، در حین زینترینگ تشکیل و رشد خواهند کرد. وقتی رشد جوانه ها در دانه ها اتفاق می افتد و این جوانه ها به هم می رسند، مرزدانه های تشکیل می شوند. اتم ها در مرزدانه ها، نظم خاصی ندارند و مرزهای فازی که همچنین نواحی با انرژی بالایی نیز هستند، از این مسئله مستثنی نیستند. مرزدانه ها به عنوان فعال ترین بخش های مربوط به ریزساختار تلقی می شوند که علت این مسئله، این است که این بخش ها، مسیرهای نفوذ اصلی در زینترینگ می باشند، نیروی محرکه ی مربوط به انجماد و رشد دانه را ایجاد می کنند، محل جوانه زنی دمین ها هستند و منبعی برای بسیاری از فرایندهایی هستند که در واقع نیازمند انرژی است.از آنجایی که سرامیک ها در دماهای بالا زینتر می شوند و حلالیت آنها معمولاً با کاهش دما، کاهش می یابد، برخی عناصر در طی کاهش دما، رسوب می کنند و یا جدایش پیدا می کنند. این مسئله اغلب در مرزدانه ها رخ می دهد. جدایش اتفاق افتاده در مرزدانه ها، 100 تا 1000 برابر بیشتر از جدایش اتفاق افتاده در دانه هاست. با تنظیم این جدایش، خواص مواد می تواند بهبود یابد و یا حتی مواد جدید توسعه یابد. علاوه بر این، فاز ثانویه در مرزدانه ها می تواند موجب کاهش در دمای زینترینگ شود و از انتقال فازی جلوگیری کند (شکل 2). این مسئله همچنین می تواند موجب محدود شدن رشد دانه شود و بدین صورت ساختاری از دانه های ریز تشکیل شود.
موانع بالقوه ای بوسیله ی جدایش اکسیدها وناخالصی ها ایجاد می شوند و این مسئله ممکن است منجر به ایجاد اثرات PTC شود که در حقیقت برای توسعه ی مواد گرم کننده ی خود تنظیمی مناسب می باشند.
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
