فرآيند توليد سراميک هاي پيزوالکتريک
توليد اغلب سراميک هاي پيزوالکتريک توده اي با تهيه ي پودر آنها شروع مي شود. پودر توليدي سپس در اندازه و شکل مورد دلخواه پرس مي شود. شکل خام توليدي خشک و فرآوري گشته و از لحاظ مکانيکي سخت تر و پر دانسيته تر مي شود. مهمترين فرآيندهايي که بر روي خواص و ويژگي هاي محصول توليدي اثر مي گذارند شامل: فرايند توليد پودر، فرآيند خشک کردن پودر و زينترينگ مي شوند. مراحل بعدي انجام شده شامل: ماشين کاري، الکترونيک و قطب دار کردن (Poling) مي شوند (قطب دار کردن يعني: استفاده از يک ميدان DC جريان براي جهت دهي به دي پل ها و القاي خاصيت پيزوالکتريکي است) معمولي ترين روش براي تهيه ي پودر، مخلوط کردن اکسيدهاي مورد نيازاست. در اين فرآيند، پودر از مخلوط کردن نسبت هاي استوکيومتري مناسب از اکسيدهاي تشکيل دهنده ي پيزوالکتريک بدست مي آيد.
براي نمونه براي توليد (Lead Zirconiate titanate) PZT ، اکسيد سرب، اکسيد تيتانيم و اکسيد زيرکونيم، ترکيبات اصلي هستند. براساس کاربرد و استفاده اي که از پيزو الکتريک توليدي مي شود، انواع متنوعي از عناصر دوپ شونده نيز به مخلوط افزوده مي شود. که اين عناصر دوپ شده موجب ايجاد خواص مورد نظر ما مي شوند. سراميک هاي PZT به ندرت بدون استفاده از افزودني هاي دوپ شونده توليد مي شوند. استفاده از عناصر دوپ شونده موجب اصلاح برخي از خواص اين نوع سراميک ها مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي A قرار مي گيرند باعث کاهش ضريب اتلاف (dissipation factor) شده که اين مسأله بر روي توليد گرما تأثير مي گذارد، اما باعث کاهش ضرايب پيزوالکتريسيته (Piezoelectric coefficients) مي شود. به همين دليل پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها بيشتر در کاربردهاي التراسونيک و با فرکانس بالا استفاده مي شوند. افزودني هاي دوپ شونده اي که در موقعيت هاي B قرار مي گيرند، باعث افزايش ضرايب پيزوالکتريسيته مي شوند اما همچنين موجب افزايش ثابت دي الکتريک شده که اين مسأله زيان آور است. پيزوالکتريک هاي توليدي با اين افزودني ها دوپ شونده، به عنوان فعال کننده در کنترل کننده صدا- لرزش (control vibration and noise) ، عضله هاي خم کننده (benders)، کاربردهاي موقعيت يابي نوري (optical positioning application) و ... استفاده مي شوند.
فلوچارتي از مراحل تهيه ي سراميک هاي PZT آورده شده است. مخلوط نمودن پودر اکسيدهاي مورد استفاده در توليد سراميک هاي پيزوالکتريک يک به دو روش انجام مي شود که در زير بيان شده اند.
1-روش سايش خشک با بال ميل
2-روش سايش تر با بال ميل
هر دو روش تر و خشک داراي مزايا و معايبي هستند. روش سايش تر با بال ميل سريع تر از روش خشک است. به هر حال عيب روش تر اضافه شدن مرحله اي براي جداسازي مايع از پودر توليدي است. متداول ترين روش توليد PZT ها از سايش تر با بال ميل بهره مي گيرد. در روش سايش تر پودر پودر اين سراميک ها با بال ميل، از اتانول به عنوان مايع و از زيرکونياي تکليس شده به عنوان محيط سايش استفاده مي شود. البته ممکن است به جاي يک آسياب معمولي از يک آسياب ارتعاشي (Vibratory mill) استفاده شود. اين فرآيند که توسط Herner ابداع شده خطر آلودگي پودر با اجزاي جدا شده از گلوله ها و محيط سايش را کاهش مي دهد همچنين محيط زيرکونيا به خاطر کاهش ريسک آلودگي استفاده مي شود.
البته مرحله ي تکليس نيز يکي از مراحل تعيين کننده در توليد سراميک هاي PZT است. اين مرحله موجب کامل شدن فرآيند تبلور کشته که فاز پرسکيت در اين مرحله تشکيل مي شود. اهداف اين مرحله خارج شدن مواد آلي و فرار از مخلوط است و واکنش اکسيدهاي موجود در مخلوط براي ايجاد ترکيبات فازي مناسب قبل از فرآيند توليد قطعه است. همچنين از اهداف ديگر اين مرحله کاهش حجم شرپنکيج و يکنواختي بهتر در طي زينترينگ و پس از آن است. پس از تکليس، يک ماده ي چسبنده به پودر افزوده مي شود و مخلوط شکل دهي مي شود. شکل دهي قطعات ساده با روش پرس خشک در قالب و براي بدنه هاي پيچيده تر، روش هاي اکستروژن و ريخته گري دوغابي استفاده مي شود. پس از آن اشکال توليدي زينترينگ مي شود ( در واقع بوسيله يک آون مواد چسبنده ي آن خارج شده و دنس مي شود.)
مشکل عمده در زينترينگ سراميک هاي PZT، فراريت Pbo در دماي 800 درجه سانتي گراد است براي به حداقل رساندن اين مشکل، نمونه هاي PZT در حضور يک منبع سرب مانند PbZro3 زينتر مي شوند و در داخل يک بوته ي ذوب بسته حرارت دهي مي شوند. اشباع شدن اتمسفر محل زينتر کردن با PbO باعث به حداقل رسيدن اتلاف سرب از بدنه هاي PZT مي شود. در اين شرايط زينترينگ مي تواند در دماي متنوعي بين 1200-1300 درجه سانتيگراد انجام شود. با وجود اين تدابير پيش بيني شده معمولاً اتلاف 2-3% در مقدار سرب اوليه صورت مي گيرد.
پس از برش و ماشين کاري قطعه به شکل مناسب، الکترودها تعبيه مي شود و يک ميدان DC براي جهت دهي به قلمرو دي پل هاي داخل سراميک پلي کريستال اعمال مي شود. قطب دار کردن بوسيله ي جريان DC مي تواند در دماي اتاق و يا در دماهاي بالاتر انجام شود. البته اين مسأله به ماده و ترکيب سراميک بستگي دارد.
فرايند پلاريزاسيون تنها اندکي دي پل هاي موجود در سراميک پلي کريستال را هم جهت مي کند و نتيجه ي پلاريزاسيون پلي کريستال کمتر از حالتي است که سراميک تک کريستال باشد. اين تکنيک توليد داراي ابهامات زيادي است البته تعداد زيادي از روش هاي توليد ديگر وجود دارد که سراميک هاي PZT با خواص و ريزساختار عالي توليد مي کنند. يک مشکل بوجود آمده در اين روش انحراف از حالت استوکيومتري است. اين مشکل اغلب به خاطر وجود ناخالصي در مواد اوليه و اتلاف سرب از بدنه در طي فرآيند زينترينگ بوجود مي آيد. که باعث تغيير خواص PZT در اثر جانشيني هاي ناخواسته، مي شود. به عنوان يک نتيجه، خواص الاستيک در اثر اين مشکل مي تواند 5% ، خواص پيزوالکتريک 10% و خواص ديک الکتريک 20 درصد ( با يک بچ ثابت) تغيير کنند.
همچنين، خواص دي الکتريک و پيزوالکتريک عمدتاً به علت عدم وجود يکنواختي کاهش پيدا مي کنند (اين عدم يکنواختي به خاطر هم زدن کم اتفاق مي افتد). اين مسأله هنگامي که اکسيدهاي اصلي هم گون باشد مهم مي باشد. در روش هاي توضيح داده شده در بالا، به هرحال، اجزاي اصلي به صورت محلول جامد در آمده و اين نشان داده شده است که مخلوط شدن هم گون محلول جامد هنگامي که اين مسأله امکان نداشته باشد، مشکل است.
روش هاي ديگر براي توليد سراميک هاي پيزوالکتريک به شرح زيراند:
1) فرآيند هيدروترمال (Hydrothermal Processing)
2) روش هاي هم رسوبي (coprecipitation methods)
همچنين اين نکته قابل توجه است که توسعه ي وسيعي در زمينه ي فرآيندهاي توليد پودر (Powder Processing)، شکل دهي و زينترينگ بوجود آمده است که نتيجه ي اين توسعه ها، افزايش کاربرد سراميک هاي پيزوالکتريک است.
