سرامیکهای پیزوالکتریک وکاربردهای آن

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.

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.

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