خانه / مقالات شیمی / مقالات متفرقه شیمی / سرامیکهای پیزوالکتریک وکاربردهای آن

سرامیکهای پیزوالکتریک وکاربردهای آن

سرامیکهای پیزوالکتریک وکاربردهای آن

پیزوالکتریک­ها گروهی از سرامیک­های پیشرفته هستند که کاربردهای وسیعی در صنایع الکترونیک، صنایع مصرفی، پزشکی و صنایع نظامی دارند. کاربرد سنسورهای پیزوالکتریکی در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی، دارویی، لوازم برقی و خودرو در حال پیشرفت است. در زیر گزارشی از کاربرد، مقیاس بازار و مسائل فنی این مواد نقل شده و سپس تحلیلی راجع به وضعیت این تکنولوژی در کشور ارائه شده است:

گزارش فنی اقتصادی
پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال ۱۸۹۲ کشف گردید و از واژه یونانی Piezin به معنی “فشار” مشتق می­شود. اعمال فشار به برخی کریستال­ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک­ها الکتریسیته تولید می­­کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال­ها باعث جابه­جایی دو قطبی­های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می­شود. آرایش یون­های مثبت و منفی، تعیین­کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است. به همین دلیل اثر پیزوالکتریسیته یا ایجاد جریان الکتریسیته القایی توسط وارد کردن فشار، در مواد کریستالی ا?نیزوتروپ رخ می­دهد؛ یعنی در آن دسته از کریستالهایی که مرکز تقارن ندارند. زیرا در کریستال­های متقارن هیچ ترکیبی از تنش­های یکنواخت نمی­تواند سبب جدا شدن بارهای الکتریکی شود.
اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می­گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می­شود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می­گیرد تغییر شکل مکانیکی می­یابد. میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد. در ساختمان این سرامیک­ها موادی نظیر: اکسید سرب، تیتانیا، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبت­های مختلف با هم مخلوط می­شوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می­توان پیزوسرامیک­ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد.

کاربردها

موادی که فشار را به انرژی الکتریکی و انرژی الکتریکی را به انرژی حرکتی تبدیل می­کنند در موارد مختلفی از جمله در مبدل­های پیزوالکتریک استفاده  می­شوند. حسگرهای (Sensor) کوچک، کم خرج، حساس و کارآمد با رشد قابل توجهی امروزه در صنعت خودرو اهمیت یافته­اند. مدل­های جدید خودرو بین ۱۸ تا ۳۰ سنسور دارند که شامل سنسورهای فشار برای کنترل میزان فشار وارده به صندلی­ها، سنسورهای دما برای کنترل میزان گرما و شرایط جوی، سنسورهای جریان برای ورودی هوای خودرو و سنسورهای شتاب برای سیستم ضد قفل ترمزی(ABS) می­باشند. در صنایع پیشرفته نیز به طور وسیعی از این سنسورها استفاده می­شود؛ مثلاً صنایع نفت، غذایی و آشامیدنی و دارویی همگی از این سنسورها برای کنترل سطح جریان سیال (flow and level monitoring) استفاده می­کنند. سنسور­های جریان سیال و سطح و مبد­ل­های دوپلر، تخلیه اتوماتیک مخازن نفت و خطوط لوله را کنترل می­کنند.

2 سراميكهاي پيزوالكتريك وكاربردهاي آن

صنایع دیگر از سنسورها برای تست­های غیر مخرب استفاده می­کنند؛ مانند تست­های غیر مخرب تیر­های فولادی، خطوط راه­آهن و بدنه هواپیما. در بخش مراقبت­های پزشکی نیز از پیزوسرامیک­ها در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مونیتور­های fetal heart استفاده می­شود که هزینه پایین و ایمنی بالا نشان کارایی این فراورده است. کاربرد­های دیگر، شامل تفنگ­های لیزری برای درمان آب مروارید چشم، چاقوهای کوچک جراحی و کالبدشکافی، مته­ها و پاک­کننده‌های دندانی، پمپ­های IV و پمپ­های قلب می­شود. مبدل­های کوچک که در مجاری خون جهت ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب بیمار قرار داده می­شوند نیز از سنسور­های پیزوالکتریک ساخته می­شوند.

3 سراميكهاي پيزوالكتريك وكاربردهاي آن

تولیدکنندگان فراورده­های مصرفی نیز از استفاده کنندگان سنسورها هستند. در ماشین­های لباسشویی از سه سنسور برای کنترل میزان بار و میزان سطح آب و کنترل چرخش استفاده می­شود. سنسور­های پیروالکتریکی (تولید بار الکتریکی در سطح یک بلور در اثر گرما را پیروالکتریسیته گویند که تمامی مواد پیروالکتریک، پیزوالکتریک نیز هستند) در فرهای مایکروویو شرایط غذا را کنترل می­کنند و در یخچال­ها از سنسورهای برفک استفاده می­شود. به علاوه از آنها در ترانسفورماتورهای اولتراسونیک در مرطوب کننده­ها، اتمایزرها، فندک­های اجاق گاز، زنگ خطر آژیرهای خطر، دستگاه ناقل صدا در گیتارهای اکوستیک و ضبط صوت­های دارای دیسک فشرده نیز استفاده می­شود.

یک استفاده مهم سرامیک پیزوالکتریک در ایجاد و دریافت کردن امواج صوتی است. گستره کاربرد این مواد از ابزارها و تجهیزات اولتراسونیکی برای عمق­یابی در دریا و پیدا کردن محل تجمع ماهی­ها تا تجهیزات ردیاب زیردریایی­ها می­باشد. مثلاً دردماغه زیردریایی(Trident) از ۵ تن مواد پیزوسرامیک که همگی به صورت دیسک­هایی با قطر ۴ اینچ و ضخامت ۰٫۲۵ اینچ هستند استفاده شده است که این تکنولوژی، زیردریایی را به حرکت سریع، آرام و بی صدا در میان آب قادر می­سازد. کاربردهای دیگر اثر پیزوالکترسیته در برشکاری و جوشکاری و عیب­یابی در داخل قطعات فلزی صنعتی است. جدیدترین کاربردهای این مواد در پرینترهای ink-jet است. از مواد فعال­کننده نویز تا ایستگاه­های فضایی (مثلRaytheon)، پیزوسرامیک­ها اجزا کلیدی مورد نیاز برای ساخت قطعات پیشرفته و سیستم­های کارآمد را تشکیل خواهند داد.

فرآیند تولید

فرآیند ساخت پیزوسرامیک­ها شامل ۱۶ مرحله است که با وزن کردن، مخلوط کردن و آسیاب کردن موادی مانند زیرکونیا، اکسید سرب، تیتانیا، نیوبیا و اکسید استرانسیم و غیره شروع می­شوند. سپس مواد مخلوط شده کلسینه شده و واکنش انجام می­دهند تا ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شود. ترکیب تیتانات-زیرکونات سرب تشکیل شده که دارای مقداری رطوبت است به اندازه ذرات خیلی ریز آسیاب می­شود. سپس چسب­ها و روانسازها افزوده می­شوند و ماده به دست­آمده در اسپری­درایر خشک می­شود تا یک پودر آماده برای تراکم حاصل شود.

بعد از آماده سازی مواد اولیه، فرایندی که برای شکل دادن سرامیک به کار گرفته می ­شود، استفاده از پرس خشک یا ایزواستاتیک با فشار اعمالی  بین ۶ تا ۱۰۰ تن است. اجزای شکل داده شده در دمای ۱۳۰۰ درجه فارنهایت در شرایط کنترل­ شده اتمسفری پخت بیسکویت می­ شوند تا چسب ­ها و  روان­کننده­های لازم برای عمل شکل ­دهی در این مرحله سوخته و خارج شود. قطعات بیسکویت در بوته­های مخصوص “آلومینا بالا” قرار داده شده و برای پخت در دمای بالا در داخل کوره قرار داده می­شوند. کوره الکتریکی تا حدود دمای ۲۳۰۰ درجه فانهایت گرم می­شود و به مدت سه ساعت در این دما نگه داشته می­شود (قطعات سرامیکی برای کنترل تبخیر احتمالی اکسید سرب در خلال فرایند پخت در دمای بالا در بوته­های آلومینا بالا قرار داده می­شوند).

سپس سرامیک پخته­شده با دقت زیادی به اندازه­های معین ماشین­کاری می­شود. بعد از مرحله اندازه­بندی، قطعات سرامیک متالیزه می­شود؛ یعنی یک پوشش فلزی روی سطح آنها نشانده می­شود. این کار به کمک تکنیک “silk screening” انجام می­شود و از الکترودهای نقره، طلا، نیکل یا پلاتینیوم-پالادیوم استفاده می­شود. الکترودهای متالیزه شده روی یک شبکه توری شکل که از سیم­های فلزی نسوز تشکیل شده است قرار گرفته و به داخل کوره حمل می­شوند و در دمایی در حدود ۷۰۰ درجه سانتی­گراد پخته می­­شوند.

بعد از این مرحله، نوبت به عمل قطبی­کردن قطعه­های سرامیکی می­رسد. در عمل قطبی­کردن ولتاژ جریان مستقیم(DC) به سرامیکی که در یک روغن دی­الکتریک گرم­شده و مقاوم قرار دارد، اعمال می­شود تا دوقطبی­های آن در یک سمت جهت­گیری کنند. قطعات سرامیکی قطبی­شده اکنون پیزوالکتریک هستند. بعد از قطبی کردن، نوبت به کنترل کیفی خواص می­رسد. قطعات جهت تضمین و تامین کردن خواص الکتریکی متناسب با نوع کاربردشان، آزمایش و بررسی می­شوند. قطعات آزموده شده آماده بسته­بندی و ارسال و استفاده هستند.

مقیاس بازار

به ­علت کاربردهای وسیع پیزوسرامیک­ها میزان عرضه آنها بسیار وسیع است. از نظر جهانی بازار این مواد تقریباً ۱۱ میلیارد دلار است و در ایالات متحده در حدود ۱٫۵ میلیارد دلار تخمین زده می­شود. کارشناسان صنعت پیش­بینی می­کنند که بازار این مواد از رشدی به میزان ۲۰ تا ۲۵ درصد در سه تا پنج سال آینده برخوردار خواهد بود. به­عنوان مثال تا پنج سال پیش صنعت خودرو مصرف‌کننده عمده­ای برای پیزوسرامیک نبود اما امروز در خودروهای جدید بالغ بر ۳۰ قطعه پیزوسرامیکی استفاده می­شود.

تحلیل:

اگر قبول کنیم تولید محصولات سرامیک­های پیشرفته امری ضروری است (رجوع شود به سخنان دکتر مارقوسیان)، طبیعتاً باید با راهکارهای مشخص و با تعیین اولویت­ها پا به عرصة این تکنولوژی گذاشت. با توجه به اینکه سرامیک­های پیشرفته شامل چند شاخه است، ابتدا باید وارد شاخه­هایی شد که علاوه بر قابل دستیابی بودن دانش فنی و سهولت در انتقال تکنولوژی از بازار بزرگی در آینده برخوردار باشند.

پیزوالکتریک­ها همچنان که در متن آمده است حدود ۱۷ درصد بازار سرامیک­های پیشرفته را به خود اختصاص داده­اند ضمن اینکه دارای رشد بازار بسیار خوبی نیز می­باشند. در حال حاضر به صورت محدود در صنایع الکترونیک شیراز این محصول تولید می­شود که نشان دهندة وجود دانش فنی و فناوری تولید هر چند به صورت محدود در کشور است. بنابراین با توجه به زمینه­های موجود و بازار رو به رشد این تکنولوژی، پرداختن به آن در کشور دارای اولویت به نظر می­رسد.

منبع: خبرنامة انجمن سرامیک ایران، شمارة ۷ ، صفحات ۱۲ و ۱۳

امتیاز دهید:
1 ستاره2 ستاره3 ستاره4 ستاره5 ستاره (امتیازی داده نشده)
Loading...
برای عضویت درکانال تلگرام جم شیمی روی تصویر کلیک کنید

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

محدودیت زمانی،روی فلش کلیک کنید تا کد جدید تولید شود