سرامیک های PLZT و تنش داخلی

نویسنده: کینگری یین، بینجی زو، هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
شکل 1 نشاندهنده ی یک ناحیه ی مسطح در حوالی مرزدانه های سرامیک های PLZT و PZT می باشد. این تصویر پس از اچ بدست آمده است. اچ گرمایی موجب انتقال اجباری جرم و مهاجرت جرمی از نواحی با انرژی بیشتر به نواحی با انرژی کمتر می شود بنابراین، سطوح پولیش خورده بسته به انرژی دارای پسی و بلندی می شوند. این پستی و بلندی به جهت گیری دانه بستگی دارد زیرا جهت دانه تعیین کننده ی آرایه های اتمی و صفحات اتمی می باشد. از آنجایی که انرژی مرزدانه ها از دانه ها متفاوت است، مورفولوژی های خاص پس از اچ گرمایی تشکیل می شوند و معمولاً شیارهایی در مرزدانه ها مشاهده می شود. در بخش سطح دانه، بخش های مسطحی مشاهده می شود. جهت گیری محور نوری مختلف مربوط به دانه های کناری، منجر به تولید زاویه ی مرزدانه ای مختلف با انرژی های مختلف می شود. همچنین نواحی مسطح نیز دارای عرض و طول مختلفی هستند که نشاندهنده ی خواص این نواحی می باشد. نواحی کرنشی نیز به دلیل تنش های مرزدانه ای ایجاد می شود. شکل 2 نشاندهنده ی نواحی اعوجاج یافته در نزدیکی مرزدانه ها می باشد. تنش میان دو دانه می تواند از طریق تغییر شکل و یا اعوجاج در ناحیه ی مرزی، جبران شود. سرامیک های PLZT که در شکل 2 مشاهده می شود، به صورت گرمایی در دمای 1100 درجه ی سانتیگراد، اچ شده است و در این دما، تغییر شکل و اعوجاج اجازه ی رهایش تنش را فراهم می آورد. شکل 3 نشاندهنده ی خمش دیواره ی دمین ها در نزدیکی مرزدانه ها می باشد که بوسیله ی TEM تصویربرداری شده است. در شکل 4 عدم پیوستگی موجود در خط باند مربوط به ناحیه ی مرزدانه ای مربوط به سرامیک های PLZT را بوسیله ی میکروسکوپ TEM نشان می دهد. هم خمش دیواره ی دمین ها در شکل 3 و هم عدم پیوستگی در خط باند شکل 4 نشاندهنئده ی تفکیک تنش میان ناحیه ی مرزدانه ای و دانه ای می باشد. استحاله ی فازی مربوط به سرامیک های PLZT می تواند بوسیله ی اعمال میدان القا شود و این مسئله موجب تغییر نوری و تغییرات زیر می شود: شکل 5 نشاندهنده ی مورفولوژی مربوط به سرامیک های PLZT زیر نور پلاریزه و بعد از اعمال و حذف میدان الکتریکی، می باشد. همانگونه که در شکل 5 مشاهده می شود، اغلب فاز بتای موجود در دانه ها، به فاز آلفا تبدیل می شود. به دلیل تنش مرزدانه ای، یک فاز بتای باقیمانده در طول مرزدانه ها باقی می مانند که به رنگ روشن، مشخص است. این مسئله همچنین نشاندهنده ی اثر میدان کرنشی در مرزدانه ها می باشد. فاز بتای باقیمانده در مرزدانه ها و از طریق استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری در شکل 6 نشان داده شده است (جدول 1). با انجام استحاله ی فازی القا شده به صورت الکتریکی و تغییر در ابعاد سلول واحد در طی استحاله، ناحیه ی مرزدانه ای با تنش فشاری و کششی روبروست. سنک کوارتزیت که یک نوع سنگ طبیعی تولید شده از پرس گرم سرامیک های پلی کریستال است، حاوی دانه های کوارتزیت با جهت محور نوری مختلف می باشد. با استفاده از تصاویر میکروسکوپی رنگی، Allen در سال 1968 موفق به مشاهده ی دانه های آلوکرونیک در مزدانه ها شد. این نواحی به دلیل اثرات انکسار مضاعف پیزوالکتریکی و بواسطه ی کرنش های مرزدانه ای ایجاد می شود. یکنواختی می تواند همچنین در سرامیک ها و در طی آماده سازی، ایجاد شوند. برای مثال، عدم یکنواختی می تواند در طی پرس خشک ایجاد شود و منجربه تنش های داخلی شود. عبور میدان الکتریکی از میان دو الکترود به نظر یکنواخت می رسد اما این میدان نیز در واقع میدانی غیر یکنواخت تلقی می شود. بنابراین، پلاریزایون آنی (P_s) در داخل سرامیک ها در واقع به صورت غیر یکواخت توزیع شده است. با استفاده از روش شدت لیزر مدولاسیونی، Qingrui Yin عدم یکنواختی های ماکرویی را در توزیع P_s مشاهده کرد. این عدو یکنواختی ممکن است موجب ترک های میکرویی به موازات الکترودها و پس از قطبی شدن، شود.

سرامیک های PTC و تنش داخلی

از آنجایی که مقاومت مربوط به مرزدانه ها بیشتر از دانه های سرامیک نیمه رسانای PTC است، مرزدانه ها به صورت نقاط گرمی تحت میدان اعمالی، تبدیل می شوند و تفاوت دمایی میان مرزدانه ها و دانه ها می تواند به 50 درجه نیز برسد. این مسئله با اندازه گیری با میکروسکوپ فروسرخ، تعیین شده است. تحت میدان الکتریکی اعمالی، دمای سرامیک PTC می تواند به سرعت افزایش یابد. این سرعت می تواند به 〖10〗^6 کلوین بر ثانیه نیز برسد. به دلایل مشخص مانند الکترودهای ناکافی، حفرات، عیوب، تفکیک مقاومتی ناحیه ای، عیوب ناشی شده از پرس، واکنش با مواد گیرشی در طی زینترینگ، رشد غیر عادی دانه ها، عدم یکنواختی موجب می شود تا تفکیک آنی و قابل توجهی در انبساط و انقباض ایجاد شود. این مسئله می تواند موجب تنش های داخلی قابل توجهی و بروز ترک های میکرویی شود. به دلایل مشابه، برخی از نمونه های PTC با استحکام نرمال، به سهولت و بعد از اعمال میدان الکتریکی، می شکنند. علاوه بر این، این فهمیده شده است که تابش در دمای 100 تا 150 درجه کمتر از دمای زینترینگ و در طی سرد کردن، استحکام دی الکتریک مربوط به نمونه های PTC می تواند بهبود یابد. این مسئله بوسیله ی کریستالیزاسیون فاز ثانویه و رهایش تنش در داخل سرامیک در زمان حرارت دهی در دمای کمتر، ایجاد می شود.
با استفاه از ترمومترهای تابشی و زوم های خاص، تصاویر گرمایی مربوط به توزیع دمایی می تواند مشاهده شود. این مسئله می تواند برای تعیین کیفیت و میزان هموژن بودن PTC و انواع مختلف مواد وریستوری، استفاده شود. نواحی گرم و نقاط خاص در تصویر گرمایی نشاندهنده ی این است که نمونه ها در آینده و تحت اعمال میدان، می شکنند. روش مشابهی نیز به طور گسترده ای بوسیله ی بیمارستان ها برای تشخیص نواحی گرم و به منظور کارهای تشخیصی، استفاده می شود. وقتی این مواد با ولتاژهای بالا برخورد می کنند، برق گیر تولید شده از جنس اکسید روی می تاوند موجب یکنواختی در دمای موجود در داخل تصویر گرمایی فروسرخ شود. این مسئله نشاندهنده ی بروز مشکل درحین آماده سازی می باشد. این مشکلات می تواند شامل جدا شدن لایه ها در زمان پرس کردن و یکنواختی در دانسیته باشد. این فهمیده شده است که توزیع دمایی تشخیص داده شده بوسیله ی تصویر فروسرخ، مسئول توزیع مقاومتی است و ناحیه ی با مقاومت پایین اغلب مسئول ناحیه ی با دما بالاست. ترک ها اغلب از ناحیه ی گرم ایجاد می شوند. بنابراین، یکنواختی توزیع دمایی اغلب برای ارزیابی کیفیت سرامیک استفاده می شود. این روش می تواند همچنین برای بررسی وسایل پیزوالکتریک توان بالا و برطرف کردن مشکلات مربوط به کیفیت استفاده شوند.
در تولید، هیترهای PTC قبلا بوسیله ی آزمون های دی الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند و بوسیله ی آنها می تواند شکست ناشی شده از تنش در حین کار بررسی شود.
به دلیل آلگلومره شدن پودر مواد اولیه و عدم یکنواختی مربوط به افزودنی ها، رشد غیر یکنواخت دانه ها در طی زینترینگ افزایش می یابد. دانه های درشت و با اندازه ی غیر نرمال از تغییر قابل توجه در ابعاد و در طول کریستال، جلوگیری می کند، در حالی که وقتی دما تغییر می کند، این بخش ها مستعد ترک خوردن هستند. بنابراین، قطعات سرامیکی با دانه هایی که رشد غیر نرمال دارند، خواص مکانیکی مناسبی ندارند. برای مثال، با رشد غیر نرمال دانه ها، استحکام سرامیک های کوراندومی می تواند به میزان 30 تا 50 % کاهش یابد، استحکام دی الکتریک نیمه رساناهای باریم تیتاناتی نیز از 300 تا 400 ولت بر میلی متر به 100 ولت بر میلی متر، کاهش می یابد.
در دانه های درشت تر، ترک های زیادی وجود دارد که موجب تخریب استحکام و قابلیت مکانیکی ماده می شوند. در واقع این رشد غیر نرمال در سرامیک های نیوباتی نیز مشهود است و موجب تخریب خواص آنها می شود. بنابراین، امکان ساخت وسایل تأخیر خطی با استفاده از این مواد، مقدور نمی باشد. دانه های درشت تر و ترک ها می توانند همچنین در ریزساختار سرامیک های PTC یافت شوند.
J K Lee در سال 2001 کشف کرد که فاز ثانویه ی مربوط به ذرات Ba_2 TiO_4 می تواند در سرامیک های باریم تیتاناتی مشاهده شود که در آنها میزان Ba قابل توجه است. این مسئله موجب تشکیل حلقه های نفوذی می شود که می توان آنها را در مرزدانه های مربوط به فاز پیش زمینه و فاز ثانویه، مشاهده کرد.

پیرسازی

همه ی سرامیک های کاربردی از مشکل پیرسازی رنج می برند. این مسئله به این معناست که خواص آنها در طی دوره های زمانی، تغییر می کند. در این سرامیک ها، انواع مختلفی از عیوب، ناخالصی ها، یون ها و نواحی بی نظم وجود دارد که به آهستگی دچار تغییر می شوند. این مشاهده شده است که پیکربندی دمین های مربوط به سرامیک های فروالکتریکی مانند اندازه ی دمین، جهت گیری و تعداد دیواره های دمین، بعد از یک دوره ی زمانی تغییر می کند؛ مثلا دیواره های دمین به موقعیت پایدارتر حرکت می کند و یا برخی از عیوب می توانند حرکت کنند و غلظت های بالایی از جاهای خالی اکسیژن می تواند منجر به پیرسازی سریع تر گردد. علت ین مسئله، این است که جاهای خالی بر روی رهایش تنش، اثرگذارند. در سرامیک های فریتی، نفوذپذیری مغناطیسی می تواند به صورت تدریجی و با گذر زمان، کاهش یابد. این مسئله اغلب از تغییر آهسته در نظم برخی از یون ها مانند منگنز و آهن ایجاد می شود. وقتی سرامیک ها به دمای معینی حرارت داده می شوند و سپس تا دمای اتاق سرد می شوند، فرایند پیرسازی دوباره شروع می شود. به عبارت دیگر، پیرسازی بوسیله ی تنش های داخلی ایجاد می شود که بعد از حرارت دهی، تغییر خواهند کرد.
در کل، تنش های داخلی قطعا در سرامیک های کاربردی وجود دارد و میزان و توزیع آن بر روی خواص ماده مؤثر است. از حقایق بالا، این نتیجه می شود که تنش داخلی می تواند به دو گروه تقسیم بندی شود: تنش های داخلی ذاتی و تنش های داخلی غیر ذاتی. تنش های ذاتی بوسیله ی ترکیب، استحاله ی فازی و آنیزوتروپی در کریستال ها ایجاد می شود، در حالی که تنش های غیر ذاتی بوسیله ی عدم یکنواختی افزودنی ها، عدم یکپارچگی، اندازه و توزیع دانه ها و رشد غیر نرمال دانه ها منتج می شود و تحت میدان الکتریکی و تغییر دما، آماده سازی سرامیک و ماشین کاری و حتی بسته بندی، خواص غیر ذاتی می تواند تغییر کند. برای بهبود حالت تنش ذاتی و خواص مکانیکی سرامیک ها می توان آنها را اصلاح کرد و یا آماده سازی سرامیک ها را اصلاح کرد. این کار نقش قابل توجهی در سرامیک های کاربردی و عملکرد آنهاد دارد.
ویژگی های ریزساختاری مربوط به چندین نوع از سرامیک های کاربردی، در ادامه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
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