نویسنده: کینگری یین، بینجی زو، هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
یک میدان خارجی باید اعمال شود تا بدین صورت دمین های با جهت گیری تصادفی به جهت مناسب قرار گیرند و بدین صورت حجم دمین با جهت مشابه افزایش یابد و یک P_s کل تشکیل شود. شکل 1a یک فرایند قطبی شدن شماتیک در سرامیک های پیزوالکتریک PZT می باشد. در شکل 1b جهت گیری دمین ها پس از قطبی شدن و اچ شیمیایی را نشان می دهد.
شکل 2 نشاندهنده ی پیکربندی دمین ها تحت شرایط قطبی شدن مختلف می باشد. اگر P_s برای 180 درجه، معکوس باشد، هیچ تنش اضافی ایجاد نمی شود و اگر غیر 180 درجه باشد، دیواره ی دمین ها حرکت می کنند و تغییر شکل القا می شود. بدین صورت تنش های مکانیکی ایجاد می شود. صفحات سرامیکی ممکن است بشکنند اگر تنش های داخلی بسیار بالا باشد. برای سرامیک های قطبی شده، تنش داخلی به تدریج رهایش می یابد. این مسئله در یک دوره ی زمانی طولانی رخ می دهند و پیرسازی نامیده می شود.
T Ogawa در سال 2002 سوئیچ زدن و جهت گیری مجدد دمین های الکتریکی را بوسیله ی اندازه گیری فروالکتریسیته و پیزوالکتریسیته تحت اعمال نیرو را تخمین زد. برای مثال، سوئیچ دمین های 180 درجه، می تواند از میدان های قطبی و برای مینیمم K_p و K_33 مشاهده شود. سوئیچینگ دمین های 90، 71 و 109 درجه می تواند از میدان های قطبی و برای ε_max و یا مقدار مینیمم مربوط به ثابت فرکانس، ارزیابی شود.
دمین های الکتریکی معمولاً در محل هایی جوانه زنی می کنند که عیوب مانند مرزدانه ها، و یا تمرکز تنش، وجود داشته باشد. جوانه زنی دمین های 90 درجه، موجب حذف تنش های داخلی قابل توجه می شود. احتمال جوانه زنی در مرزدانه ها، به صورت زیر است: نقاط تقاطع بررای 4 دانه بیشتر از خط تقاطع مربوط به سه دانه بیشتر از صفحه ی تقاطع مربوط به دو دانه. چندین کریستال دو قلویی اغلب در یک نقطه ی مشترک و در طول مرزدانه ها، موجب جوانه زنی دمین ها می شوند. این مسئله موجب تحرک دمین و حرکت آن به سمت دانه های مجاور می شود. در طی استحاله ی فازی، سمت جلوی مربوط به دمین های تمایل به عبور از مرزدانه و رفع تنش را دارد بنابراین، انرژی سیستم مینیمم می شود. عرض باند دمین های 90 درجه ممکن است با میزان استحکام تنش داخلی تغییر کند یعنی عرض پهن تر این باند تحت تنش های کوچکتر و برعکس. ε اغلب در حالتی که دیواره های دمین بیشتر است، بزرگتر است و عرض دمین نیز با اندازه ی دانه رابطه ی عکس دارد:
عرض دمین های 90 درجه با اندازه ی دانه به توان یک دوم مرتبط است. تعداد سیکل سوئیچینگ که موجب کاهش 70 % در پلاریزاسیون باقیمانده می شود، در واقع به عنوان معیاری برای خستگی الکتریکی مواد با دانسیته ی مختلف، تلقی می شود. دمین های 90 درجه نقش مهمی در تنظیم و رهایش تنش ایفا می کند. یک مقدار قابل توجه از دمین های 90 درجه در داخل دانه های سرامیک های فرو الکتریک وجود دارد. به هر حال، بخش اندکی از دیواره ی دمین ها، رها می شوند اگر یک دانه جداسازی شود زیرا در این حالت، دیواره های دمین ها از دوقلویی شدن ایجاد می شوند و تنش ایجادی در طی استحاله ی فازی را رها می کنند. وقتی یک دانه از سایر دانه ها مجزا شود، تغییر حجمی ناشی از استحاله ی فازی می تواند به سهولت با حرکت سطح آزاد، جبران شود. بنابراین، نیازی به تنظیم کرنش توسط دمین ها، وجود ندارد. مواد پلی کریستال همواره دارای حالت تنش بالایی هستند و رهایش تنش در انها سخت تر از تک کریستال ها می باشد، بنابراین، همواره نیروی محرکه برای کاهش تنش باقیمانده، وجود دارد. این نیروی محرکه موجب پیرسازی می شود. پیرسازی خواص اغلب به فرایندهای زیر مرتبط است:
تغییردر پیکربندی دمین ها با گذر زمان
حرکت پیکربندی دمین ها به سمت تعادل
مهاجرت ناخالصی ها و جاهای خالی به سمت دیواره ی دمین ها و یا مرزدانه ها
قرارگیری ناخالصی ها و جاهای خالی در طول محور قطبی شدن و ... .
برای مثال، چرخش بازگشتی دمین های 90 درجه موجب افزایش ε می شود، در حالی که چرخش بازگشتی مربوط به دمین های 180 درجه، منجر به کاهش ε می شود. سایش داخلی سرامیک های فروالکتریک همچنین به پیکربندی دمین ها و برهمکنش میان دیواره ی دمین ها و عیوب شبکه ای وابسته می باشد.
N G Zhang و همکارانش در سال 2001، خستگی مربوط به سرامیک های PLZT را مورد بررسی قرار داد و کشف کرد که بعد از یک تعداد مشخص از سیکل های سوئیچینگ، خستگی رخ می دهد. همچنین در این حالت، پیزوالکتریسیته با کاهش P_r تخریب می شود. علاوه بر این، خستگی در فرکانس های پایین تر، زودتر رخ می دهد برای مثال:
تخریب فروالکتریسیته بعد از 1000 سیکل در 10 Hz رخ می دهد؛
تخریب فروالکتریسیته بعد از 10000 سیکل در 50 Hz رخ می دهد؛
هیچ تخریبی بعد از 〖10〗^10 سیکل در 100 Hz رخ نمی دهد؛
تخریب اندکی بعد از 〖10〗^10 سیکل در 500 Hz رخ می دهد.
M L Eng (1999) خواص سوئیچینگ دمین های مربوط به سرامیک های نانومتری از جنس BaTiO_3 را مورد بررسی قرار دادند. این نتیجه گیری شده است که در یک میدان خاص، سوئیچینگ دمین ها تنها زمانی رخ می دهد که زمان سوئیچینگ بحرانی (τ_c) ارضا شود یعنی اگر فرکانس میدان اعمال شده بالاتر از 1/τ_c باشد، دمین های الکتریکی نمی توانند سوئیچ کنند و هیچ پیرسازی و یا خستگی تحت اعمال این میدان ها، ایجاد نمی شود.
این مورد قبول است که خستگی از 1) میکروترک های ایجاد شده با تنش مکانیکی و 2) مهاجرت عیوب تحت میدان الکتریکی، ایجاد می شوند. A Levstik در سال 1997 آزمونی بر روی بار الکتریکی سیکلی انجام داد. این آزمون بر روی سرامیک های PLZT انجام شد و ضریب پیزوالکتریک (d_33) و فاکتور کیفیت (Q) این مواد اندازه گیری شد. این کشف شد که d_33 ممکن است بوسیله ی سوئیچینگ دمین ها تخریب شود.
یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه پنسیلوانیای آمریکا یک تحقیق سیستماتیک بر روی خستگی الکتریکی سرامیک های فروالکتریک انجام داد. اگر مواد به صورت قابل توجهی تحت بارهای سیکلی میدان متناوب تخریب شوند، آیا این مسئله کاربرد آنها در فعال کننده های کرنش بالا و وسایل حافظه ای غیر فرار را محدود نمی کند. خستگی در واقع به فاکتورهای متعددی مانند حالت سطحی، آماده سازی الکترودهای اعمالی، میکروساختار، ترکیب، دمای کاری و ... وابسته می باشد. در این حالت، تخلخل های موجود در ریزساختار نقش مهمی ایفا می کند.
تعداد سیکل سوئیچینگ که موجب کاهش 70 % در پلاریزاسیون باقیمانده می شود، در واقع به عنوان معیاری برای خستگی الکتریکی مواد با دانسیته ی مختلف، تلقی می شود.
این فهمیده شده است که بار فضایی بر روی سطح سرامیک های قطبی شده وجود دارد که موجب خنثی شدن پلاریزاسیون می شود و اندازه ی حفرات در سرامیک ها، می تواند به یک میکرون و حتی چندین میکرون نیز برسد. وقتی میدان با ولتاژ بالا اعمال می شود، بار فضایی موجب تثبیت پیکربندی دمین ها می شود و موجب می شود تا سوئیچینگ دمین ها تحت میدان، سخت تر شود. بدین صورت پلاریزاسیون، افت می کند. تحت اعمال میدان، دمین ممکن است از یک سطح به سمت مخالف بسط پیدا کند. این مسئله در تک کریستال های BaTiO_3 مشاهده شده است. به هر حال، پس از چندین سیکل از سوئیچینگ، دمین محدود به بدنه ی کریستال می شود و در واقع از یک کریستال به کریستال دیگر بسط پیدا نمی کند. علاوه بر این، لایه ی سرامیکی که در نزدیکی الکترود واقع است، متحمل واکنش های الکتروشیمیایی می شود و رنگ آن به صورت واضح، تغییر می کند. این در حالی است که خستگی به دلیل غیر متحرک شدن دمین ها، رخ می دهد و این مسئله با حرارت دهی تا دمای انتقال فازی (T_εmax) از بین می رود.
همچنین بار فضایی در داخل ماده وجود دارد که موجب خنثی شدن پلاریزاسیون می شود. بار سطحی مثبت و منفی بر روی بخش های مثبت و منفی مربوط به دمین ها تجمع می یابند و یک میدان بار فضایی ایجاد می کنند. بار فضایی همچنین در مرزدانه ها نیز تجمع می یابند و می توانند بر روی حرکت دمین، مؤثر باشند. آنالیز انجام شده بر روی پیکربندی سرامیک های فروالکتریک یک روش مهم در آگاهی رابطه ی میان شرایط قطبی شدن و جهت گیری دمین، خواص پیرسازی و رفتار سوئیچینگ، می باشد. یک بخش بزرگ از دمین های الکتریکی و دیواره ی دمین ها برای مینیمم کردن تنش داخلی در طی استحاله ی فازی، تولید می شود. بنابراین، در این حالت، انرژی کرنشی کاهش سافته و انرژی کل سیستم به طبع آن کاهش می یابد.
اخیراً پیزوالکتریسیته قابل توجهی در تک کریستال های محلول جامد Pb(Zn_(1/3) Nb_(2/3) Ti_0.09 ) O_3 مشاهده شده است (K_31=80 %، K_33=95 % و d_33=2500 pC/N). این مقادیر در مقایسه با سرامیک های PZT نرم، بسیار بالاتر است. برای توضیح خاصیت پیزوالکتریک قوی این ماده، Ogawa و همکارانش تحقیقاتی انجام دادند. آنها فهمیدند که تحت شرایط قطبی شدن مناسب، یک دمین منفرد می تواند بر روی یک تک کریستال تشکیل شود. این مسئله موجب می شود تا پیزوالکتریسیته ی قوی ایجاد گردد. به هر حال، اگر ولتاژ قطبی شدن به طور قابل توجهی بالا باشد، دمین های چندگانه ای تشکیل می شود و خاصیت پیزوالکتریسیته تخریب خواهد شد. این شرایط قطبی شدن مناسب برای تولید پیکربندی های دمینی ایده آل، مناسب می باشد و موجب افزایش خواص پیزوالکتریک، می شود. به هر حال، همچنین سایر توضیحات در مورد این پدیده وجود دارد.
خواص مکانیکی مربوط به سرامیک های فروالکتریک
سرامیک های فروالکتریک در میدان های الکتریکی و بارهای مکانیکی بالا مورد استفاده قرار می گیرند تا بدین صورت از پتانسیل الکترومکانیکی آنها، استفاده شود. کوپلینگ ذاتی مربوط به اثرات الکتریکی و مکانیکی منجر به توسعه ی آزمایش های مکانیک شکست و آزمایش هایی برای بررسی سرامیک های فروالکتریک، شده است.
تنش های داخلی در سرامیک ها نقش مهمی در خواص ماده دارد و روش هایی برای اندازه گیری و کنترل تنش های داخلی در این مواد، توسعه یافته است.
اخیراً علاقه ی روز افزونی به منظور بررسی و بهبود خواص مکانیکی این مواد انجام شده است. علت این مسئله، برخورد این مواد با بارهای مکانیکی بالا و در حین کاربرد می باشد. در برخی از کاربردهای جدید تر مانند سری های فشار حاوی پیزوالتریک و سیستم های تزریق سوخت مربوط به تکنولوژی های خودرویی، انتظارات مربوط به خواص مکانیکی بالاست.
تحقیق بر روی خواص مکانیکی همچنین کمک می کند تا خواص الکتریکی را بهتر متوجه شویم، برای مثال:
سرامیک های BaTiO_3 با دانه های ریز به صورت مکرر به عنوان خازن ها مورد استفاده قرار می گیرند و ضریب دی الکتریک آنها حتی بالاتر از مقدار متوسط این ضریب برای تک کریستال ها، می باشد. به هر حال، تحقیقات انجام شده بر روی خواص مکانیکی و تنش های داخلی نیز نتوانست این مسئله ی مرموز را حل کند. جزئیات این مسئله در ادامه مورد بررسی قرار می گیرد.
سرامیک های پلی کریستال از طریق فرایند زینتریگ و سرد کردن تولید می شوند. فاکتورهای زیر می تواند تغییر شکل قابل توجهی را در حین سرد کردن ایجاد کند:
تفاوت درانبساط و انقباض در میان دانه ها؛
آنیزوتروپی سیستم های کریستالی غیر مکعبی؛
تغییر در اندازه ی دانه ها
تنوع ترکیب در میان دانه ها؛
دوپ شدن یونی
از آنجایی که دانه ها در مواد پلی کریستال در هم قفل شده اند و بوسیله ی همدیگر محدود می شوند، آنها نمی توانند به صورت آزادانه انبساط و یا انقباض انجام دهند. این مسئله در حقیقت موجب بروز تنش های داخلی و ایجاد حالت های کششی و فشاری در نواحی مختلف می شود. در دماهای بالا، نفوذ و تغییر شکل به صورت جزئی موجب رهایش این تنش های داخلی می شود. بعد از سرد شدن سرامیک و رسیدن دمای آن به دمای محیط، همواره تنش های باقیمانده باقی می ماند. Jonker این مواد را با استفاده از اشعه ی X مورد بررسی قرار داد و تفاوت در نسبت محور کریستالی c/a میان سرامیک های BaTiO_3 و پودر این مواد را کشف کردند. در واقع این نسبت در مورد سرامیک های BaTiO_3 14 % کمتر از پودر این ماده است. این مسئله نشاندهنده ی حالت تنش دانه ها در سرامیک ها و محدود شدن انبساط دانه ها می باشد. در حقیقت، گاهی اوقات تنش های داخلی موجود در دانه ها می تواند به 60 MPa نیز برسد، در حالی که P L Janega نتیجه گیری کرد که تنش های داخلی در فاز فروالکتریکی می تواند به 60 الی 90 MPa نیز برسد. Y Sakabe در سال 2002 تنش های داخلی را با استفاده از آنالیز پیک های مربوط به اشعه ی X مورد بررسی قرار داد و نتیجه گیری کرد که بی نظمی در پیک ها مرتبط با تنش های داخلی می باشد. پیک های اشعه ی X مربوط به صفحات (113) و (311) پودرها، سرامیک های زینتر شده و سرامیک های اچ شده، نیز با همدیگر مقایسه شده است. این نشان داده شده است که اچ شیمیایی می تواند موجب حذف تنش های داخلی شود.
Kiyoshi Okazaki در سال 1992 نسبت c/a را برای محورهای کریستالی اندازه گیری کرد و تنش های داخلی برخی از سرامیک های PLZT را با ترکیب های مختلف، بدست آورد. وقتی La در ترکیب افزایش می یابد، نسبت c/a افزایش می یابد و T_c و تنش داخلی کاهش می یابد.
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
یک میدان خارجی باید اعمال شود تا بدین صورت دمین های با جهت گیری تصادفی به جهت مناسب قرار گیرند و بدین صورت حجم دمین با جهت مشابه افزایش یابد و یک P_s کل تشکیل شود. شکل 1a یک فرایند قطبی شدن شماتیک در سرامیک های پیزوالکتریک PZT می باشد. در شکل 1b جهت گیری دمین ها پس از قطبی شدن و اچ شیمیایی را نشان می دهد.
شکل 2 نشاندهنده ی پیکربندی دمین ها تحت شرایط قطبی شدن مختلف می باشد. اگر P_s برای 180 درجه، معکوس باشد، هیچ تنش اضافی ایجاد نمی شود و اگر غیر 180 درجه باشد، دیواره ی دمین ها حرکت می کنند و تغییر شکل القا می شود. بدین صورت تنش های مکانیکی ایجاد می شود. صفحات سرامیکی ممکن است بشکنند اگر تنش های داخلی بسیار بالا باشد. برای سرامیک های قطبی شده، تنش داخلی به تدریج رهایش می یابد. این مسئله در یک دوره ی زمانی طولانی رخ می دهند و پیرسازی نامیده می شود.
دمین های الکتریکی معمولاً در محل هایی جوانه زنی می کنند که عیوب مانند مرزدانه ها، و یا تمرکز تنش، وجود داشته باشد. جوانه زنی دمین های 90 درجه، موجب حذف تنش های داخلی قابل توجه می شود. احتمال جوانه زنی در مرزدانه ها، به صورت زیر است: نقاط تقاطع بررای 4 دانه بیشتر از خط تقاطع مربوط به سه دانه بیشتر از صفحه ی تقاطع مربوط به دو دانه. چندین کریستال دو قلویی اغلب در یک نقطه ی مشترک و در طول مرزدانه ها، موجب جوانه زنی دمین ها می شوند. این مسئله موجب تحرک دمین و حرکت آن به سمت دانه های مجاور می شود. در طی استحاله ی فازی، سمت جلوی مربوط به دمین های تمایل به عبور از مرزدانه و رفع تنش را دارد بنابراین، انرژی سیستم مینیمم می شود. عرض باند دمین های 90 درجه ممکن است با میزان استحکام تنش داخلی تغییر کند یعنی عرض پهن تر این باند تحت تنش های کوچکتر و برعکس. ε اغلب در حالتی که دیواره های دمین بیشتر است، بزرگتر است و عرض دمین نیز با اندازه ی دانه رابطه ی عکس دارد:
عرض دمین های 90 درجه با اندازه ی دانه به توان یک دوم مرتبط است. تعداد سیکل سوئیچینگ که موجب کاهش 70 % در پلاریزاسیون باقیمانده می شود، در واقع به عنوان معیاری برای خستگی الکتریکی مواد با دانسیته ی مختلف، تلقی می شود. دمین های 90 درجه نقش مهمی در تنظیم و رهایش تنش ایفا می کند. یک مقدار قابل توجه از دمین های 90 درجه در داخل دانه های سرامیک های فرو الکتریک وجود دارد. به هر حال، بخش اندکی از دیواره ی دمین ها، رها می شوند اگر یک دانه جداسازی شود زیرا در این حالت، دیواره های دمین ها از دوقلویی شدن ایجاد می شوند و تنش ایجادی در طی استحاله ی فازی را رها می کنند. وقتی یک دانه از سایر دانه ها مجزا شود، تغییر حجمی ناشی از استحاله ی فازی می تواند به سهولت با حرکت سطح آزاد، جبران شود. بنابراین، نیازی به تنظیم کرنش توسط دمین ها، وجود ندارد. مواد پلی کریستال همواره دارای حالت تنش بالایی هستند و رهایش تنش در انها سخت تر از تک کریستال ها می باشد، بنابراین، همواره نیروی محرکه برای کاهش تنش باقیمانده، وجود دارد. این نیروی محرکه موجب پیرسازی می شود. پیرسازی خواص اغلب به فرایندهای زیر مرتبط است:
تغییردر پیکربندی دمین ها با گذر زمان
حرکت پیکربندی دمین ها به سمت تعادل
مهاجرت ناخالصی ها و جاهای خالی به سمت دیواره ی دمین ها و یا مرزدانه ها
قرارگیری ناخالصی ها و جاهای خالی در طول محور قطبی شدن و ... .
برای مثال، چرخش بازگشتی دمین های 90 درجه موجب افزایش ε می شود، در حالی که چرخش بازگشتی مربوط به دمین های 180 درجه، منجر به کاهش ε می شود. سایش داخلی سرامیک های فروالکتریک همچنین به پیکربندی دمین ها و برهمکنش میان دیواره ی دمین ها و عیوب شبکه ای وابسته می باشد.
N G Zhang و همکارانش در سال 2001، خستگی مربوط به سرامیک های PLZT را مورد بررسی قرار داد و کشف کرد که بعد از یک تعداد مشخص از سیکل های سوئیچینگ، خستگی رخ می دهد. همچنین در این حالت، پیزوالکتریسیته با کاهش P_r تخریب می شود. علاوه بر این، خستگی در فرکانس های پایین تر، زودتر رخ می دهد برای مثال:
تخریب فروالکتریسیته بعد از 1000 سیکل در 10 Hz رخ می دهد؛
تخریب فروالکتریسیته بعد از 10000 سیکل در 50 Hz رخ می دهد؛
هیچ تخریبی بعد از 〖10〗^10 سیکل در 100 Hz رخ نمی دهد؛
تخریب اندکی بعد از 〖10〗^10 سیکل در 500 Hz رخ می دهد.
M L Eng (1999) خواص سوئیچینگ دمین های مربوط به سرامیک های نانومتری از جنس BaTiO_3 را مورد بررسی قرار دادند. این نتیجه گیری شده است که در یک میدان خاص، سوئیچینگ دمین ها تنها زمانی رخ می دهد که زمان سوئیچینگ بحرانی (τ_c) ارضا شود یعنی اگر فرکانس میدان اعمال شده بالاتر از 1/τ_c باشد، دمین های الکتریکی نمی توانند سوئیچ کنند و هیچ پیرسازی و یا خستگی تحت اعمال این میدان ها، ایجاد نمی شود.
این مورد قبول است که خستگی از 1) میکروترک های ایجاد شده با تنش مکانیکی و 2) مهاجرت عیوب تحت میدان الکتریکی، ایجاد می شوند. A Levstik در سال 1997 آزمونی بر روی بار الکتریکی سیکلی انجام داد. این آزمون بر روی سرامیک های PLZT انجام شد و ضریب پیزوالکتریک (d_33) و فاکتور کیفیت (Q) این مواد اندازه گیری شد. این کشف شد که d_33 ممکن است بوسیله ی سوئیچینگ دمین ها تخریب شود.
یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه پنسیلوانیای آمریکا یک تحقیق سیستماتیک بر روی خستگی الکتریکی سرامیک های فروالکتریک انجام داد. اگر مواد به صورت قابل توجهی تحت بارهای سیکلی میدان متناوب تخریب شوند، آیا این مسئله کاربرد آنها در فعال کننده های کرنش بالا و وسایل حافظه ای غیر فرار را محدود نمی کند. خستگی در واقع به فاکتورهای متعددی مانند حالت سطحی، آماده سازی الکترودهای اعمالی، میکروساختار، ترکیب، دمای کاری و ... وابسته می باشد. در این حالت، تخلخل های موجود در ریزساختار نقش مهمی ایفا می کند.
بیشتر بخوانید: شاخه های علم سرامیک
تعداد سیکل سوئیچینگ که موجب کاهش 70 % در پلاریزاسیون باقیمانده می شود، در واقع به عنوان معیاری برای خستگی الکتریکی مواد با دانسیته ی مختلف، تلقی می شود.
این فهمیده شده است که بار فضایی بر روی سطح سرامیک های قطبی شده وجود دارد که موجب خنثی شدن پلاریزاسیون می شود و اندازه ی حفرات در سرامیک ها، می تواند به یک میکرون و حتی چندین میکرون نیز برسد. وقتی میدان با ولتاژ بالا اعمال می شود، بار فضایی موجب تثبیت پیکربندی دمین ها می شود و موجب می شود تا سوئیچینگ دمین ها تحت میدان، سخت تر شود. بدین صورت پلاریزاسیون، افت می کند. تحت اعمال میدان، دمین ممکن است از یک سطح به سمت مخالف بسط پیدا کند. این مسئله در تک کریستال های BaTiO_3 مشاهده شده است. به هر حال، پس از چندین سیکل از سوئیچینگ، دمین محدود به بدنه ی کریستال می شود و در واقع از یک کریستال به کریستال دیگر بسط پیدا نمی کند. علاوه بر این، لایه ی سرامیکی که در نزدیکی الکترود واقع است، متحمل واکنش های الکتروشیمیایی می شود و رنگ آن به صورت واضح، تغییر می کند. این در حالی است که خستگی به دلیل غیر متحرک شدن دمین ها، رخ می دهد و این مسئله با حرارت دهی تا دمای انتقال فازی (T_εmax) از بین می رود.
همچنین بار فضایی در داخل ماده وجود دارد که موجب خنثی شدن پلاریزاسیون می شود. بار سطحی مثبت و منفی بر روی بخش های مثبت و منفی مربوط به دمین ها تجمع می یابند و یک میدان بار فضایی ایجاد می کنند. بار فضایی همچنین در مرزدانه ها نیز تجمع می یابند و می توانند بر روی حرکت دمین، مؤثر باشند. آنالیز انجام شده بر روی پیکربندی سرامیک های فروالکتریک یک روش مهم در آگاهی رابطه ی میان شرایط قطبی شدن و جهت گیری دمین، خواص پیرسازی و رفتار سوئیچینگ، می باشد. یک بخش بزرگ از دمین های الکتریکی و دیواره ی دمین ها برای مینیمم کردن تنش داخلی در طی استحاله ی فازی، تولید می شود. بنابراین، در این حالت، انرژی کرنشی کاهش سافته و انرژی کل سیستم به طبع آن کاهش می یابد.
اخیراً پیزوالکتریسیته قابل توجهی در تک کریستال های محلول جامد Pb(Zn_(1/3) Nb_(2/3) Ti_0.09 ) O_3 مشاهده شده است (K_31=80 %، K_33=95 % و d_33=2500 pC/N). این مقادیر در مقایسه با سرامیک های PZT نرم، بسیار بالاتر است. برای توضیح خاصیت پیزوالکتریک قوی این ماده، Ogawa و همکارانش تحقیقاتی انجام دادند. آنها فهمیدند که تحت شرایط قطبی شدن مناسب، یک دمین منفرد می تواند بر روی یک تک کریستال تشکیل شود. این مسئله موجب می شود تا پیزوالکتریسیته ی قوی ایجاد گردد. به هر حال، اگر ولتاژ قطبی شدن به طور قابل توجهی بالا باشد، دمین های چندگانه ای تشکیل می شود و خاصیت پیزوالکتریسیته تخریب خواهد شد. این شرایط قطبی شدن مناسب برای تولید پیکربندی های دمینی ایده آل، مناسب می باشد و موجب افزایش خواص پیزوالکتریک، می شود. به هر حال، همچنین سایر توضیحات در مورد این پدیده وجود دارد.
خواص مکانیکی مربوط به سرامیک های فروالکتریک
سرامیک های فروالکتریک در میدان های الکتریکی و بارهای مکانیکی بالا مورد استفاده قرار می گیرند تا بدین صورت از پتانسیل الکترومکانیکی آنها، استفاده شود. کوپلینگ ذاتی مربوط به اثرات الکتریکی و مکانیکی منجر به توسعه ی آزمایش های مکانیک شکست و آزمایش هایی برای بررسی سرامیک های فروالکتریک، شده است.
مباحث عمومی
خواص الکتریکی مربوط به سرامیک های فروالکتریک به طور کامل مورد مطالعه قرار گرفته است، در حالی که محققین اندکی بر روی خواص مکانیکی و تنش های داخلی متمرکز شده اند که در واقع نقش مهمی در عملکرد این ماده ایفا می کند. در اینجا مثالی ارائه شده است که نشاندهنده ی اثرات تنش های داخلی بر روی عمر کاری مربوط به این سرامیک ها، می باشد. وقتی سرامیک های فروالکتریک شفاف از طریق فرایند زینترینگ پرس گرم تولید می شوند، سرامیک های آلومینایی با خلوص 99 % برای تولید قالب های پرس گرم مورد استفاده قرار می گیرند که در واقع می توانند فشارهایی بین 20 تا 30 MPa را تحت دمای 1150 درجه ی سانتیگراد، تحمل کنند. این مواد همچنین بدون آسیب دیدن دوباره می توانند بازیافت و استفاده شوند. فرایند ریخته گری در اصل برای تولید قالب های پرس گرم با ضخامت قطر 65 میلی متر و ارتفاع 85 میلی متر مورد استفاده قرار می گیرد. این قالب ها در دمای 1780 درجه ی سانتیگراد، زینتر می شوند. به هر حال، قالب های بدست آمده به صورت پیوسته و پس از تنها یک استفاده، می شکنند. فرایند پرس ایزواستاتیک در واقع برای تولید این قالب ها، استفاده شد. قالب های تولیدی با این فرایند توانایی استفاده شدن در بیش از 50 بار را دارند. قالب تولیدی با روش پرس ایزواستاتیک دارای ساختار هموژن و تنش های داخلی پایین است و می تواند استحکام خود را حفظ کند، در حالی که قالب های تولیدی با روش ریخته گری، دارای تنش های داخلی قابل توجهی هستند که این مسئله در حقیقت موجب افت قابل توجه در عمر مفید کاری مربوط به قالب می شود.تنش های داخلی در سرامیک ها نقش مهمی در خواص ماده دارد و روش هایی برای اندازه گیری و کنترل تنش های داخلی در این مواد، توسعه یافته است.
اخیراً علاقه ی روز افزونی به منظور بررسی و بهبود خواص مکانیکی این مواد انجام شده است. علت این مسئله، برخورد این مواد با بارهای مکانیکی بالا و در حین کاربرد می باشد. در برخی از کاربردهای جدید تر مانند سری های فشار حاوی پیزوالتریک و سیستم های تزریق سوخت مربوط به تکنولوژی های خودرویی، انتظارات مربوط به خواص مکانیکی بالاست.
تحقیق بر روی خواص مکانیکی همچنین کمک می کند تا خواص الکتریکی را بهتر متوجه شویم، برای مثال:
سرامیک های BaTiO_3 با دانه های ریز به صورت مکرر به عنوان خازن ها مورد استفاده قرار می گیرند و ضریب دی الکتریک آنها حتی بالاتر از مقدار متوسط این ضریب برای تک کریستال ها، می باشد. به هر حال، تحقیقات انجام شده بر روی خواص مکانیکی و تنش های داخلی نیز نتوانست این مسئله ی مرموز را حل کند. جزئیات این مسئله در ادامه مورد بررسی قرار می گیرد.
سرامیک های پلی کریستال از طریق فرایند زینتریگ و سرد کردن تولید می شوند. فاکتورهای زیر می تواند تغییر شکل قابل توجهی را در حین سرد کردن ایجاد کند:
تفاوت درانبساط و انقباض در میان دانه ها؛
آنیزوتروپی سیستم های کریستالی غیر مکعبی؛
تغییر در اندازه ی دانه ها
تنوع ترکیب در میان دانه ها؛
دوپ شدن یونی
از آنجایی که دانه ها در مواد پلی کریستال در هم قفل شده اند و بوسیله ی همدیگر محدود می شوند، آنها نمی توانند به صورت آزادانه انبساط و یا انقباض انجام دهند. این مسئله در حقیقت موجب بروز تنش های داخلی و ایجاد حالت های کششی و فشاری در نواحی مختلف می شود. در دماهای بالا، نفوذ و تغییر شکل به صورت جزئی موجب رهایش این تنش های داخلی می شود. بعد از سرد شدن سرامیک و رسیدن دمای آن به دمای محیط، همواره تنش های باقیمانده باقی می ماند. Jonker این مواد را با استفاده از اشعه ی X مورد بررسی قرار داد و تفاوت در نسبت محور کریستالی c/a میان سرامیک های BaTiO_3 و پودر این مواد را کشف کردند. در واقع این نسبت در مورد سرامیک های BaTiO_3 14 % کمتر از پودر این ماده است. این مسئله نشاندهنده ی حالت تنش دانه ها در سرامیک ها و محدود شدن انبساط دانه ها می باشد. در حقیقت، گاهی اوقات تنش های داخلی موجود در دانه ها می تواند به 60 MPa نیز برسد، در حالی که P L Janega نتیجه گیری کرد که تنش های داخلی در فاز فروالکتریکی می تواند به 60 الی 90 MPa نیز برسد. Y Sakabe در سال 2002 تنش های داخلی را با استفاده از آنالیز پیک های مربوط به اشعه ی X مورد بررسی قرار داد و نتیجه گیری کرد که بی نظمی در پیک ها مرتبط با تنش های داخلی می باشد. پیک های اشعه ی X مربوط به صفحات (113) و (311) پودرها، سرامیک های زینتر شده و سرامیک های اچ شده، نیز با همدیگر مقایسه شده است. این نشان داده شده است که اچ شیمیایی می تواند موجب حذف تنش های داخلی شود.
Kiyoshi Okazaki در سال 1992 نسبت c/a را برای محورهای کریستالی اندازه گیری کرد و تنش های داخلی برخی از سرامیک های PLZT را با ترکیب های مختلف، بدست آورد. وقتی La در ترکیب افزایش می یابد، نسبت c/a افزایش می یابد و T_c و تنش داخلی کاهش می یابد.
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
