نویسنده: کینگری یین، بینجی زو، هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
پلاریزاسیون فروالکتریک ایجاد می شود و بدین صورت دمین های الکتریکی و استحاله ی فازی در سرامیک های فروالکتریک، رخ می دهد. دمین های الکتریکی واقعی و یا دیواره ی دمین ها، از تنش های داخلی اساسی ایجاد می شوند که بوسیله ی استحاله ی فازی بروز کرده اند. این مسئله در نهایت موجب کاهش در انرژی کرنشی می شود. همچنین این مسئله برای دمین های مغناطیسی در مواد فروالکتریک، حقیقت دارد. تحت میدان های اعمالی، دمین های الکتریکی می توانند دوباره جهت گیری و سوئیچ کنند. سوئیچ دمین 180 درجه موجب کاهش تنش نمی شود و این مورد پس از حذف میدان، بازگشت نمی کند. به هر حال، سوئیچ دمین های غیر 180 درجه مانند دمین های 90 درجه منجر به تولید کرنش و تغییر شکل می شود. برای مثال، بر اساس بررسی های انجام شده برروی سرامیک های PZT با ترکیب نزدیک به مرزهای فازی و اندازه گیری فاکتور کرنش و پارامتر شبکه، این فهمیده شده است که حدود 53 % از دمین های 90 درجه، بعد از اشباع شدن میدان اعمالی، با میدان موازی شده اند و حدود 44 % از آنها بعد از حذف میدان نیز جهت خود را حفظ کرده اند. به هر حال، در میان این دمین های با جهت گیری دوباره، برخی از آنها ممکن است دوباره و در طی زمان جهت گیری کنند و موجب کاهش در تنش داخلی شوند مانند پیرسازی در حین انبارداری. تردی سرامیک ها کاربرد آنها را محدود کرده است، بنابراین، تلاش برای ایجاد و بهبود تافنس و یا افزایش تافنس شکست برای این سرامیک ها، ضروری می باشد. تافنس شکست معمولاً به صورت فاکتور شدت تنش بحرانی (K_IC) تعریف می شود. این فاکتور یک ثابت است و به ماده وابسته می باشد. تحت میدان اعمالی E، تغییر شکل (S) در سرامیک های فروالکتریک ایجاد می شود. وابستگی S به E مشابه وابستگی پلاریزاسیون (P) به E است.
مواد مختلف دارای رابطه ی S-E متفاوت می باشند و این مورد به شیب مختلف مربوط به نمودار dS/dE وابسته می باشد. شیب بزرگتر نمودار S-E بدین معناست که میدان نسبتا کوچک می تواند موجب تنش های بزرگ شود و این مسئله منجر به تشکیل میکروترک ها در فرایند پلیمریزاسیون تحت میدان می شود. معمولاً کرنش S به موازات میدان اعمالی مثبت است و این مسئله بدین معناست که ماده در طول میدان و با تنش کششی، منبسط می شود، در حالی که کرنش S عمود بر میدان اعمالی، اغلب منفی است و این مسئله بدین معناست که ماده تحت تنش فشاری در این جهت است. بنابراین، شرایط قطبی شدن شدید و زمان طولانی نباید بر این ماده اعمال شود وگر نه موجب جوانه زنی و رشد آهسته ی میکرو ترک ها، می شود. این فهمیده شده است که تنش ها در مرزدانه ها متمرکز می شوند بنابراین، میکروترک ها در مرزدانه ها بیشتر رشد کرده و موجب انبساط در دانه ها می شود. سرامیک های درشت دانه بیشتر مستعد ترک خوردن هستند. Kroupa در سال 1989 فهمید که ترک ها منجر به تشکیل صفحات مرکزی می شوند. وقتی نمونه ها بریده شده و در طول صفحه ی مرکزی پولیش می شوند، ذرات آنها جدا می شود و این مسئله به معنای بروز میکروترک و کاهش استحکام می باشد. R A Pferner فهمید که تخلخل اغلب موجب کاهش استحکام می شود. کریستال های هگزاگونال میله ای شکل از جنس PbO که دارای اندازه ی 5 تا 8 میکرون هستند، در حفرات مربوط به سرامیک های PZT مشاهده می شوند، در حالی که اندازه ی دانه های مربوط به مواد پس زمینه، در این حالت 2 میکرون است. ناهمخوانی مربوط به اندازه منجر به تسهیل جوانه زنی ترک در استحکام های پایین تر می شود.
دانه های سرامیک ها در طی سرد کردن منقبض می شوند و مواد در طول انقباض های بزرگ، تحت تنش کششی و در طی انقباض های کوچک، تحت تنش فشاری قرار می گیرند. تغییر دمایی بزرگ نیز موجب ایجاد تنش داخلی بزرگ می شود. رابطه ی این تنش به صورت زیر است:
σ∝(α).(E).(∆T)
که در اینجا، α انبساط شبکه، E مدول الاستیک و ∆T تغییر دما می باشد.
وقتی تنش داخلی از استحکام ماده بیشتر باشد، ترک ها تشکیل می شوند. یک مثال نمونه وار در این مورد، فروپاشی پودری مربوط به سرامیک های PbTiO_3 می باشد. آز آنجایی که انحراف تتراگونال کاملا بزرگ است (نسبت c/a=1.063) است و میزان آنیزوتروپی نیز قابل توجه می باشد، تنش داخلی قابل توجه در نمونه های زینتر شده و پس از سرد کردن، ایجاد می شود. در طی رسوب دهی، PbTiO_3 ممکن است در طول مرزدانه ها بشکند و دانه ها از هم جدا شوند. اگر تنها ترک های اندکی در سرامیک ایجاد شود، سرامیک شکسته نمی شود. وقتی سرامیک تا دمای معینی حرارت داده شود، هیچ انبساطی نمی تواند مشاهده شود که علت آن ترمیم ترک می باشد. افزایش بیشتر دما، می تواند انبساط قابل توجهی در نمونه ایجاد کند. با استفاده از روش انتشار اکوستیک، این می توان فهیمده شود که دمای مربوط به انتشار اکوستیک ماکزیمم به دمای شروع انبساط وابسته می باشد. در حقیقت، قضاوت در مورد ایجاد میکرو ترک با استفاده از انتشار اکوستیک، یک روش بسیار مهم می باشد. در بخش سرد کردن مربوط به کوره ی تونلی، اگر دمای سرامیک ورودی به این ناحیه بسیار بالا باشد، میکروترک ها می توانند ظاهر شوند. که در واقع این مسئله یک انتشار اکوستیکی ایجاد می کند که با گوش انسان نیز شنیده می شود.
تردی سرامیک ها کاربرد آنها را محدود کرده است، بنابراین، تلاش برای ایجاد و بهبود تافنس و یا افزایش تافنس شکست برای این سرامیک ها، ضروری می باشد. تافنس شکست معمولاً به صورت فاکتور شدت تنش بحرانی (K_IC) تعریف می شود. این فاکتور یک ثابت است و به ماده وابسته می باشد. در حقیقت این فاکتور نشاندهنده ی قابلیت ماده برای مقاومت در برابر رشد ترک می باشد. مکانیزم های زیر می تواند برای بهبود تافنس شکست مورد استفاده قرار گیرد:
افزایش تافنس با استفاده از استحاله ی فازی و یا میکروترک ها
افزایش تافنس با استفاده از پل زنی ترک ها
Qingchun Zhang و R A Pferner (1999) تافنس شکست مربوط به سرامیک های پیزوالکتریک و فروالکتریک را مورد بررسی قرار دادند و این را فهمیدند که مقدار مینیمم مربوط به K_IC در حدود دمای استحاله ی فازی مشاهده می شود (شکل 1). تغییر در استحکام مشابه با رویه ی شکل 2 است.
Qingchun Zhang همچنین اثبات کرد که یک میزان قابل توجه از دیواره های دمین در سرامیک های قطبی شده، ایجاد می شوند و این مسئله منجر به جلوگیری از رشد ترک می شود؛ به طوری که خواص مکانیکی بهبود می یابد. به هر حال، بهبود همچنین به جهت قطبی شدن در طی پلاریزاسیون و جهت بارگذاری در طی آزمون مکانیکی وابسته می باشد. Lishui Zhang و Qingchun Zhang همچنین فهمیدند که در سیستم های کریستالی مختلف، رشد ترک با اعوجاج شبکه در ارتباط است. انحراف شبکه ای بزرگ در تنش های داخلی بالا ایجاد می شود که در واقع این مسئله رشد ترک ها را محدود می کند. قطبی شدن همچنین بر روی رشد ترک اثرگذار است.
به جز سیستم مکعبی، تمام سرامیک های فروالکتریکی آنیزوتروپ هستند و پارامتر شبکه ی انها با توجه به دما، تغییر می کند (جدول 1).
با توجه به جدول 1، پارامترهای شبکه برای سرامیک های BaTiO_3 ممکن است به صورت ناگهانی و یا تدریجی تغییر کند. این تغییر با سرد کردن سرامیک از دمای 130 درجه ی سانتیگراد به منفی 90 درجه، رخ می دهد. علاوه بر این، آنیزوتروپی و توزیع اندازه ی دانه در بدنه های سرامیکی وجود دارد. تغییر شکل دانه های بزرگتر در طول محور کریستالی خاص بزرگتر است که این مسئله موجب بروز تنش های کششی و فشاری در دانه ها می شود. به این تنش ها، تنش های داخلی می گویند. برای سیستم های تتراگونال، تنش داخلی با نسبت c/a در ارتباط است یعنی زمانی که c/a به یک نزدیک می شود، تنش های داخلی بوجود آمده بوسیله ی آنیزوتروپی، به صفر نزدیک می شود. بررسی ها نشان دهنده ی وابستگی دمایی گرمای ویژه، رسانش گرمایی و انبساط خطی در سرامیک های BaTiO_3 می باشد و این وابستگی در مورد مدول الاستیک و ضریب پواسون نیز مشاهده می شود.
مقادیر مینیمم مربوط به انبساط خطی و مدول الاستیک در حدود دمای استحاله ی فازی رخ می دهد. در بالای T_c، ضریب انبساط و مدول با افزایش دما، افزایش می یابند و تنش داخلی با این موارد در ارتباط است. بنابراین، تنش های داخلی در داخل سرامیک های PTC و تحت میدان اعمالی (در بالای T_c) رخ می دهد. علاوه بر این، استحکام کششی مربوط به سرامیک ها اغلب پایین تر از تنش فشاری آنهاست و بدین صورت، سرامیک ها مستعد شکسته شدن و یا ترک برداشتن تحت تنش های کششی هستند. تنش های داخلی همچنین بر روی استحاله ی فازی مؤثر است. این مسئله در حقیقت با افزایش نفوذ، در ارتباط است. R C Pohanka و همکارانش فهمیدند که استحکام کششی در بالای دمای T_c ممکن است از زیر دمای T_c متفاوت باشد. برای مثال، برای سرامیک های BaTiO_3 تولید شده با روش پرس گرم، استحکام در دمای 150 درجه ی سانتیگراد، در حدود 1999.4 مگاپاسکال ات و این استحکام در دمای 25 درجه ی سانتیگراد، به 1241.1 مگاپاسکال، می رسد. تفاوت در استحکام در بالا و پایین دمای کوری، حدود 758.4 است. این مسئله بوسیله ی استحاله ی فازی و تبدیل شدن از فاز مکعبی به فاز تتراگونال، رخ می دهد. به عبارت دیگر، تنش داخلی که بواسطه ی استحاله ی فازی ایجاد می شود، با مقدار 758.4MPa در ارتباط است. Pferner نیز فهمید که استحکام سرامیک های PZT در بالای دمای T_c، بیشتر و در پایین این دما، کمتر است. این مسئله به دلیل تنش های داخلی از استحاله ی فازی، رخ می دهد. علاوه بر این، استحکام در مرزهای فازی پایین تر است. در این بخش ها، دو فاز هم محور و غیر هموژن موجب افت استحکام می شوند. وقتی مواد تحت میدان، قطبیده می شوند، K_IC به موازات E بزرگتر از این پارامتر در جهت عمود بر E است. این مسئله احتمالا به دلیل این مسئله است که پیوستگی میان مرزدانه ها در طول E افزایش می یابد در حالی که در جهت عمود بر E این پارامتر کاهش می یابد.
در مرز فازی مورفوتروپیک و یا دمای استحاله ی مکعبی- تتراگونال، دیواره ی دمین ها استعداد بیشتری دارند و سوئیچ دمین ها تنها موجب تنش های اندکی می شود به نحوی که ضریب کوپلینگ (K_P) بزرگتر، اتلاف مکانیکی بیشتر، فاکتور کیفیت مکانیکی (Q_m) کوچک تر و استحکام پایین تر به همراه سختی مکانیکی و الکتریکی پایین تر، ایجاد می شود. به عبارت دیگر، خواص مکانیکی، الکتریکی و گرمایی مربوط به این مواد تماما در حالت حداقل قرار دارد. R A Pferner در سال 1999 رابطه ی میان کرنش و تنش مربوط به برخی از مواد PZT را مورد بررسی قرار داد و اثبات کرد که موواد با ترکیب مشبه با مرزهای فازی مورفوتروپیکی، دارای خواص نرم تری هستند.
این جالب توجه است که مواد با سیستم های کریستالی مختلف دارای تنش های داخلی مختلفی هستند که در حقیقت برروی خواص آنها مؤثر می باشد. برای مثال، در سرامیک های محلول جامد از جنس PZT، سیستم های تتراگونال و رومبوهدرالی بر دو طرف مرز فازی وجود دارد. اگر چه دو فاز دارای خاصیت پلاریزاسیون آنی (P_s) مشابهی هستند، تغییر شکل آنی در فاز تتراگونال 3 برابر بزرگتر از این فاکتور در فاز رومبوهدرال می باشد. این مسئله موجب بروز تنش های داخلی مختلف در این دو بخش می شود به نحوی که خواص گرمایی ماده مانند ضریب گرمایی و ثابت دی الکتریک ماده (ε_33^T) و ضریب گرمایی مربوط به تسلیم الاستیک (S_11^T) تحت تأثیر قرار می گیرد. ضریب گرمایی مربوط به ثابت دی الکتریک برای فاز تتراگونال منفی و برای فاز رومبوهدرال، مثبت است.
روش اکسید مخلوط اغلب برای آماده سازی سرامیک ها استفاده می شود و زمان زینترینگ بسیار طولانی نیست بنابراین، انتقال جرم در این بخش ها کامل نمی شود و تفاوت های ترکیبی در نواحی مختلف وجود دارد. این مسئله موجب بروز نواحی میکرونی از تنش ها، می شود. این فهمیده شده است که تفاوت ترکیب میان دانه ها و حتی یک دانه، ممکن است در دو فاز کریستالی وجود داشته باشد. برای مثال، فاز مکعبی در حالت پوسته و فاز تتراگونال در حالت هسته، می تواند وجود داشته باشد و این ساختار به ساختار هسته- پوسته، معروف است. در دانه های فریتی، این فهمیده شده است که تفاوت در محور نوری میان برخی از نواحی میکرونی با اندازه ی 5 تا 10 نانومتر، ممکن است به یک تا 4 درجه برسد. این مورد بوسیله ی TEM قابل تشخیص می باشد.
میکروسکوپ نوری معمولی و یا الکترونی از خاصیت نوری و یا الکتریکی مواد برای بدست آورند تصاویر نوری و یا الکتریکی، استفاده می کند، در حالی که میکروسکوپ اکوستیکی از خواص مکانیکی استفاده می کند. رزولیشن مربوط به میکروسکوپ اکوستیکی روبشی- پروبی در سال های اخیر به 30 نانومتر نیز رسیده است.
سرامیک های PLZT نسبت به میدان اعمالی حساس می باشند و خواص نوری آنها می تواند با تنش های میکرونی، تغییر کند. این روش می تواند برای بررسی و مشاهده تنش ها و نواحی کرنش در مرزدانه ها، استفاده شود.
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
پلاریزاسیون فروالکتریک ایجاد می شود و بدین صورت دمین های الکتریکی و استحاله ی فازی در سرامیک های فروالکتریک، رخ می دهد. دمین های الکتریکی واقعی و یا دیواره ی دمین ها، از تنش های داخلی اساسی ایجاد می شوند که بوسیله ی استحاله ی فازی بروز کرده اند. این مسئله در نهایت موجب کاهش در انرژی کرنشی می شود. همچنین این مسئله برای دمین های مغناطیسی در مواد فروالکتریک، حقیقت دارد. تحت میدان های اعمالی، دمین های الکتریکی می توانند دوباره جهت گیری و سوئیچ کنند. سوئیچ دمین 180 درجه موجب کاهش تنش نمی شود و این مورد پس از حذف میدان، بازگشت نمی کند. به هر حال، سوئیچ دمین های غیر 180 درجه مانند دمین های 90 درجه منجر به تولید کرنش و تغییر شکل می شود. برای مثال، بر اساس بررسی های انجام شده برروی سرامیک های PZT با ترکیب نزدیک به مرزهای فازی و اندازه گیری فاکتور کرنش و پارامتر شبکه، این فهمیده شده است که حدود 53 % از دمین های 90 درجه، بعد از اشباع شدن میدان اعمالی، با میدان موازی شده اند و حدود 44 % از آنها بعد از حذف میدان نیز جهت خود را حفظ کرده اند. به هر حال، در میان این دمین های با جهت گیری دوباره، برخی از آنها ممکن است دوباره و در طی زمان جهت گیری کنند و موجب کاهش در تنش داخلی شوند مانند پیرسازی در حین انبارداری. تردی سرامیک ها کاربرد آنها را محدود کرده است، بنابراین، تلاش برای ایجاد و بهبود تافنس و یا افزایش تافنس شکست برای این سرامیک ها، ضروری می باشد. تافنس شکست معمولاً به صورت فاکتور شدت تنش بحرانی (K_IC) تعریف می شود. این فاکتور یک ثابت است و به ماده وابسته می باشد. تحت میدان اعمالی E، تغییر شکل (S) در سرامیک های فروالکتریک ایجاد می شود. وابستگی S به E مشابه وابستگی پلاریزاسیون (P) به E است.
مواد مختلف دارای رابطه ی S-E متفاوت می باشند و این مورد به شیب مختلف مربوط به نمودار dS/dE وابسته می باشد. شیب بزرگتر نمودار S-E بدین معناست که میدان نسبتا کوچک می تواند موجب تنش های بزرگ شود و این مسئله منجر به تشکیل میکروترک ها در فرایند پلیمریزاسیون تحت میدان می شود. معمولاً کرنش S به موازات میدان اعمالی مثبت است و این مسئله بدین معناست که ماده در طول میدان و با تنش کششی، منبسط می شود، در حالی که کرنش S عمود بر میدان اعمالی، اغلب منفی است و این مسئله بدین معناست که ماده تحت تنش فشاری در این جهت است. بنابراین، شرایط قطبی شدن شدید و زمان طولانی نباید بر این ماده اعمال شود وگر نه موجب جوانه زنی و رشد آهسته ی میکرو ترک ها، می شود. این فهمیده شده است که تنش ها در مرزدانه ها متمرکز می شوند بنابراین، میکروترک ها در مرزدانه ها بیشتر رشد کرده و موجب انبساط در دانه ها می شود. سرامیک های درشت دانه بیشتر مستعد ترک خوردن هستند. Kroupa در سال 1989 فهمید که ترک ها منجر به تشکیل صفحات مرکزی می شوند. وقتی نمونه ها بریده شده و در طول صفحه ی مرکزی پولیش می شوند، ذرات آنها جدا می شود و این مسئله به معنای بروز میکروترک و کاهش استحکام می باشد. R A Pferner فهمید که تخلخل اغلب موجب کاهش استحکام می شود. کریستال های هگزاگونال میله ای شکل از جنس PbO که دارای اندازه ی 5 تا 8 میکرون هستند، در حفرات مربوط به سرامیک های PZT مشاهده می شوند، در حالی که اندازه ی دانه های مربوط به مواد پس زمینه، در این حالت 2 میکرون است. ناهمخوانی مربوط به اندازه منجر به تسهیل جوانه زنی ترک در استحکام های پایین تر می شود.
دانه های سرامیک ها در طی سرد کردن منقبض می شوند و مواد در طول انقباض های بزرگ، تحت تنش کششی و در طی انقباض های کوچک، تحت تنش فشاری قرار می گیرند. تغییر دمایی بزرگ نیز موجب ایجاد تنش داخلی بزرگ می شود. رابطه ی این تنش به صورت زیر است:
σ∝(α).(E).(∆T)
که در اینجا، α انبساط شبکه، E مدول الاستیک و ∆T تغییر دما می باشد.
وقتی تنش داخلی از استحکام ماده بیشتر باشد، ترک ها تشکیل می شوند. یک مثال نمونه وار در این مورد، فروپاشی پودری مربوط به سرامیک های PbTiO_3 می باشد. آز آنجایی که انحراف تتراگونال کاملا بزرگ است (نسبت c/a=1.063) است و میزان آنیزوتروپی نیز قابل توجه می باشد، تنش داخلی قابل توجه در نمونه های زینتر شده و پس از سرد کردن، ایجاد می شود. در طی رسوب دهی، PbTiO_3 ممکن است در طول مرزدانه ها بشکند و دانه ها از هم جدا شوند. اگر تنها ترک های اندکی در سرامیک ایجاد شود، سرامیک شکسته نمی شود. وقتی سرامیک تا دمای معینی حرارت داده شود، هیچ انبساطی نمی تواند مشاهده شود که علت آن ترمیم ترک می باشد. افزایش بیشتر دما، می تواند انبساط قابل توجهی در نمونه ایجاد کند. با استفاده از روش انتشار اکوستیک، این می توان فهیمده شود که دمای مربوط به انتشار اکوستیک ماکزیمم به دمای شروع انبساط وابسته می باشد. در حقیقت، قضاوت در مورد ایجاد میکرو ترک با استفاده از انتشار اکوستیک، یک روش بسیار مهم می باشد. در بخش سرد کردن مربوط به کوره ی تونلی، اگر دمای سرامیک ورودی به این ناحیه بسیار بالا باشد، میکروترک ها می توانند ظاهر شوند. که در واقع این مسئله یک انتشار اکوستیکی ایجاد می کند که با گوش انسان نیز شنیده می شود.
تردی سرامیک ها کاربرد آنها را محدود کرده است، بنابراین، تلاش برای ایجاد و بهبود تافنس و یا افزایش تافنس شکست برای این سرامیک ها، ضروری می باشد. تافنس شکست معمولاً به صورت فاکتور شدت تنش بحرانی (K_IC) تعریف می شود. این فاکتور یک ثابت است و به ماده وابسته می باشد. در حقیقت این فاکتور نشاندهنده ی قابلیت ماده برای مقاومت در برابر رشد ترک می باشد. مکانیزم های زیر می تواند برای بهبود تافنس شکست مورد استفاده قرار گیرد:
افزایش تافنس با استفاده از استحاله ی فازی و یا میکروترک ها
افزایش تافنس با استفاده از پل زنی ترک ها
Qingchun Zhang و R A Pferner (1999) تافنس شکست مربوط به سرامیک های پیزوالکتریک و فروالکتریک را مورد بررسی قرار دادند و این را فهمیدند که مقدار مینیمم مربوط به K_IC در حدود دمای استحاله ی فازی مشاهده می شود (شکل 1). تغییر در استحکام مشابه با رویه ی شکل 2 است.
با توجه به جدول 1، پارامترهای شبکه برای سرامیک های BaTiO_3 ممکن است به صورت ناگهانی و یا تدریجی تغییر کند. این تغییر با سرد کردن سرامیک از دمای 130 درجه ی سانتیگراد به منفی 90 درجه، رخ می دهد. علاوه بر این، آنیزوتروپی و توزیع اندازه ی دانه در بدنه های سرامیکی وجود دارد. تغییر شکل دانه های بزرگتر در طول محور کریستالی خاص بزرگتر است که این مسئله موجب بروز تنش های کششی و فشاری در دانه ها می شود. به این تنش ها، تنش های داخلی می گویند. برای سیستم های تتراگونال، تنش داخلی با نسبت c/a در ارتباط است یعنی زمانی که c/a به یک نزدیک می شود، تنش های داخلی بوجود آمده بوسیله ی آنیزوتروپی، به صفر نزدیک می شود. بررسی ها نشان دهنده ی وابستگی دمایی گرمای ویژه، رسانش گرمایی و انبساط خطی در سرامیک های BaTiO_3 می باشد و این وابستگی در مورد مدول الاستیک و ضریب پواسون نیز مشاهده می شود.
در مرز فازی مورفوتروپیک و یا دمای استحاله ی مکعبی- تتراگونال، دیواره ی دمین ها استعداد بیشتری دارند و سوئیچ دمین ها تنها موجب تنش های اندکی می شود به نحوی که ضریب کوپلینگ (K_P) بزرگتر، اتلاف مکانیکی بیشتر، فاکتور کیفیت مکانیکی (Q_m) کوچک تر و استحکام پایین تر به همراه سختی مکانیکی و الکتریکی پایین تر، ایجاد می شود. به عبارت دیگر، خواص مکانیکی، الکتریکی و گرمایی مربوط به این مواد تماما در حالت حداقل قرار دارد. R A Pferner در سال 1999 رابطه ی میان کرنش و تنش مربوط به برخی از مواد PZT را مورد بررسی قرار داد و اثبات کرد که موواد با ترکیب مشبه با مرزهای فازی مورفوتروپیکی، دارای خواص نرم تری هستند.
این جالب توجه است که مواد با سیستم های کریستالی مختلف دارای تنش های داخلی مختلفی هستند که در حقیقت برروی خواص آنها مؤثر می باشد. برای مثال، در سرامیک های محلول جامد از جنس PZT، سیستم های تتراگونال و رومبوهدرالی بر دو طرف مرز فازی وجود دارد. اگر چه دو فاز دارای خاصیت پلاریزاسیون آنی (P_s) مشابهی هستند، تغییر شکل آنی در فاز تتراگونال 3 برابر بزرگتر از این فاکتور در فاز رومبوهدرال می باشد. این مسئله موجب بروز تنش های داخلی مختلف در این دو بخش می شود به نحوی که خواص گرمایی ماده مانند ضریب گرمایی و ثابت دی الکتریک ماده (ε_33^T) و ضریب گرمایی مربوط به تسلیم الاستیک (S_11^T) تحت تأثیر قرار می گیرد. ضریب گرمایی مربوط به ثابت دی الکتریک برای فاز تتراگونال منفی و برای فاز رومبوهدرال، مثبت است.
روش اکسید مخلوط اغلب برای آماده سازی سرامیک ها استفاده می شود و زمان زینترینگ بسیار طولانی نیست بنابراین، انتقال جرم در این بخش ها کامل نمی شود و تفاوت های ترکیبی در نواحی مختلف وجود دارد. این مسئله موجب بروز نواحی میکرونی از تنش ها، می شود. این فهمیده شده است که تفاوت ترکیب میان دانه ها و حتی یک دانه، ممکن است در دو فاز کریستالی وجود داشته باشد. برای مثال، فاز مکعبی در حالت پوسته و فاز تتراگونال در حالت هسته، می تواند وجود داشته باشد و این ساختار به ساختار هسته- پوسته، معروف است. در دانه های فریتی، این فهمیده شده است که تفاوت در محور نوری میان برخی از نواحی میکرونی با اندازه ی 5 تا 10 نانومتر، ممکن است به یک تا 4 درجه برسد. این مورد بوسیله ی TEM قابل تشخیص می باشد.
میکروسکوپ نوری معمولی و یا الکترونی از خاصیت نوری و یا الکتریکی مواد برای بدست آورند تصاویر نوری و یا الکتریکی، استفاده می کند، در حالی که میکروسکوپ اکوستیکی از خواص مکانیکی استفاده می کند. رزولیشن مربوط به میکروسکوپ اکوستیکی روبشی- پروبی در سال های اخیر به 30 نانومتر نیز رسیده است.
سرامیک های PLZT نسبت به میدان اعمالی حساس می باشند و خواص نوری آنها می تواند با تنش های میکرونی، تغییر کند. این روش می تواند برای بررسی و مشاهده تنش ها و نواحی کرنش در مرزدانه ها، استفاده شود.
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
