ساخت پيزوالكتريك فلزي با استفاده از فناوري نانو

ساخت پيزوالكتريك فلزي با استفاده از فناوري نانو

پيزوسراميکها دستهايي از مواد سراميکي هستند که با اعمال ولتاژ، تغيير طول ميدهند. در خبر زير که برگرفته از خبرنامه نانوتکنولوژي، شماره 37 است به تحولي در عرصه پيزوالکتريکها پرداخته شده است:

محققين آلماني و اتريشي موفق به ساخت فلزي نانوحفره‌اي شده‌اند که رفتاري همانند سراميک از خود نشان مي‌دهد. اين فلز، مشابه يک پيزوسراميک با اعمال ولتاژ خارجي، حدود 0.15 درصد افزايش طول مي‌يابد.

ويب مولر، يکي از اين محققين ابراز داشت: “با تزريق يا تخليه الکترونها، باندهاي اتمي سطح ماده منبسط يا منقبض مي‌شوند و از آنجا که سطح اين ماده بسيار زياد است، اين کار منجر به انبساط ماکروسکوپي ماده مي‌گردد. به طوريکه نتيجه آن در برخي از نمونه‌ها با چشم غيرمسلح نيز قابل مشاهده است.”

اين گروه تحقيقاتي، نوعي پلاتين نانوحفره‌اي را با استفاده از پلاتين سياه با اندازه‌ دانه‌هاي 6 نانومتر ساختند. آنها ولتاژ خارجي را در حضور يک الکتروليت آبي مانند اسيد سولفوريک، اسيد کلريدريک يا محلول هيدورکسيد پتاسيم اعمال نمودند. محلول هيدورکسيدپتاسيم، بيشترين کشش را در نمونه‌ها ايجاد نمود.

به گفته اين محققين، پيزوسراميکها بهطور گسترده بهعنوان مواد راه‌انداز در چاپگرهاي جوهرافشان و در نازلهاي تزريق سوخت در اتومبيل‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. مزيت اين ماده جديد اين است که با اعمال ولتاژ کمتر، به اندازه پيزوسراميکها کش مي‌آيد. قابليت عمليات اين ماده جديد در ولتاژ پايين (حدود يک ولت، در مقايسه با صدها يا هزاران ولت براي پيزوسراميکها) و نيز امکان استفاده از آن در محيط آبي، امکان کاربرد آن در ادوات ميکروسيالاتي همچون شيرهاي عملياتي را فراهم مي‌آورد.

حتي اين محققين احتمال مي‌دهند که بتوان از اين ماده جهت کاربرد در تماس مستقيم با سيالات زيستي در سيستمهاي زنده نيز استفاده نمود.

طبق نظر اين محققين، اثر اعمال ولتاژ بر روي اين ماده با سراميکهاي معمولي، پليمرها و نانولوله‌ها از چند جهت متفاوت  است: اول اينکه اين پديده يک اثر سطحي است در حاليکه در ديگر موارد، ولتاژ اعمال شده به حجم مواد اعمال مي‌شود. دوم اينکه کشش اين ماده در تمامي جهات يکسان است و اين اثر موجب تغيير حجم مي‌شود.

مولر بيان داشت: “تغيير حجم در نمونه‌هاي ما (بيش از 45 درصد) بسيار بيشتر از سراميکها است. زيرا جهت کشش در سراميکها بسته به جهتهاي کريستالوگرافي، تغيير مي‌کند و اين امر موجب مي‌شود تغيير حجم کلي در آنها به حدود صفر برسد.”

اما توليد فلزاتي که رفتارشان همانند سراميکها باشد تازه شروع شده است و بنا به ادعاي اين محققين، اين روش مي‌تواند دريچه‌اي به دسته جديدي از مواد با خواص اپتيکي و مغناطيسي قابل تنظيم بگشايد.

مولر در تشريح اين پديده چنين بيان مي‌دارد:” اتمهايي با عدد اتمي بالا، تعداد الکترونهاي بسيار زيادي دارند و همين امر موجب تنوع خواص در آنها مي‌شود. تاکنون اين خواص کمابيش ثابت در نظر گرفته مي‌شد. با اين کار جديد مي‌توان بهسادگي با افزودن يا حذف الکترونبه اتمها (با اعمال ولتاژ) موقعيت آنها را در جدول تناوبي به چپ يا راست منتقل نمود.”

سراميكهاي پيزوالكتريك وكاربردهاي آن

پيزوالكتريكها گروهي از سراميكهاي پيشرفته هستند كه كاربردهاي وسيعي در صنايع الكترونيك، صنايع مصرفي، پزشكي و صنايع نظامي دارند. كاربرد سنسورهاي پيزوالكتريكي در صنايع مختلف از جمله صنايع غذايي، دارويي، لوازم برقي و خودرو در حال پيشرفت است. در زير گزارشي از كاربرد، مقياس بازار و مسائل فني اين مواد نقل شده و سپس تحليلي راجع به وضعيت اين تكنولوژي در كشور ارائه شده است:

گزارش فني اقتصادي (مأخذ: خبرنامة انجمن سراميك ايران، شمارة 7 ، صفحات 12و13)

پيزوالكتريسيته توسط پيروژاك كوري در سال 1892 كشف گرديد و از واژه يوناني Piezin به معني “فشار” مشتق ميشود. اعمال فشار به برخي كريستالها مانند كوارتز يا برخي سراميكها الكتريسيته توليد ميكند. فشار يا تنش مكانيكي وارد شده به برخي كريستالها باعث جابه­جايي دو قطبيهاي ايجاد شده و پديد آمدن ميدان الكتريكي ميشود. آرايش يونهاي مثبت و منفي، تعيينكننده ايجاد يا عدم ايجاد اثر پيزوالكتريسيته است. به همين دليل اثر پيزوالكتريسيته يا ايجاد جريان الكتريسيته القايي توسط وارد كردن فشار، در مواد كريستالي ا?نيزوتروپ رخ مي­دهد؛ يعني در آن دسته از كريستالهايي كه مركز تقارن ندارند. زيرا در كريستالهاي متقارن هيچ تركيبي از تنشهاي يكنواخت نميتواند سبب جدا شدن بارهاي الكتريكي شود.

 

اگر يك ماده به عنوان مثال يك سراميك، پيزوالكتريك باشد، وقتي تحت تاثير فشار قرار ميگيرد در سطح آن بار الكتريكي توليد ميشود؛ يا وقتي در ميدان الكتريكي قرار ميگيرد تغيير شكل مكانيكي مييابد. ميزان بار الكتريكي يا تغيير شكل مكانيكي به تركيب ماده بستگي دارد. در ساختمان اين سراميكها موادي نظير: اكسيد سرب، تيتانيا، زيركونيا و غيره وجود دارند كه بسته به نوع كاربرد اين مواد با نسبتهاي مختلف با هم مخلوط ميشوند. با تغيير تركيب و ابعاد قطعات ميتوان پيزوسراميكها را براي كاربردهاي مختلف طراحي كرد.

كاربردها

موادي كه فشار را به انرژي الكتريكي و انرژي الكتريكي را به انرژي حركتي تبديل ميكنند در موارد مختلفي از جمله در مبدلهاي پيزوالكتريك استفاده ميشوند. حسگرهاي (Sensor) كوچك، كم خرج، حساس و كارآمد با رشد قابل توجهي امروزه در صنعت خودرو اهميت يافتهاند. مدلهاي جديد خودرو بين 18 تا 30 سنسور دارند كه شامل سنسورهاي فشار براي كنترل ميزان فشار وارده به صندليها، سنسورهاي دما براي كنترل ميزان گرما و شرايط جوي، سنسورهاي جريان براي ورودي هواي خودرو و سنسورهاي شتاب براي سيستم ضد قفل ترمزي(ABS) ميباشند. در صنايع پيشرفته نيز به طور وسيعي از اين سنسورها استفاده مي­شود؛ مثلاً صنايع نفت، غذايي و آشاميدني و دارويي همگي از اين سنسورها براي كنترل سطح جريان سيال (flow and level monitoring) استفاده ميكنند. سنسورهاي جريان سيال و سطح و مبدلهاي دوپلر، تخليه اتوماتيك مخازن نفت و خطوط لوله را كنترل ميكنند.

 

صنايع ديگر از سنسورها براي تستهاي غير مخرب استفاده ميكنند؛ مانند تستهاي غير مخرب تيرهاي فولادي، خطوط راهآهن و بدنه هواپيما. در بخش مراقبتهاي پزشكي نيز از پيزوسراميكها در مبدل تصويرگرهاي تشخيصي و مونيتورهاي fetal heart استفاده ميشود كه هزينه پايين و ايمني بالا نشان كارايي اين فراورده است. كاربردهاي ديگر، شامل تفنگهاي ليزري براي درمان آب مرواريد چشم، چاقوهاي كوچك جراحي و كالبدشكافي، متهها و پاككننده‌هاي دنداني، پمپهاي IV و پمپهاي قلب ميشود. مبدلهاي كوچك كه در مجاري خون جهت ثبت تغييرات متناوب ضربان قلب بيمار قرار داده ميشوند نيز از سنسورهاي پيزوالكتريك ساخته ميشوند.

توليدكنندگان فراوردههاي مصرفي نيز از استفاده كنندگان سنسورها هستند. در ماشينهاي لباسشويي از سه سنسور براي كنترل ميزان بار و ميزان سطح آب و كنترل چرخش استفاده ميشود. سنسور­هاي پيروالكتريكي (توليد بار الكتريكي در سطح يك بلور در اثر گرما را پيروالكتريسيته گويند كه تمامي مواد پيروالكتريك، پيزوالكتريك نيز هستند) در فرهاي مايكروويو شرايط غذا را كنترل ميكنند و در يخچالها از سنسورهاي برفك استفاده ميشود. به علاوه از آنها در ترانسفورماتورهاي اولتراسونيك در مرطوب كنندهها، اتمايزرها، فندكهاي اجاق گاز، زنگ خطر آژيرهاي خطر، دستگاه ناقل صدا در گيتارهاي اكوستيك و ضبط صوتهاي داراي ديسك فشرده نيز استفاده ميشود.

يك استفاده مهم سراميك پيزوالكتريك در ايجاد و دريافت كردن امواج صوتي است. گستره كاربرد اين مواد از ابزارها و تجهيزات اولتراسونيكي براي عمقيابي در دريا و پيدا كردن محل تجمع ماهيها تا تجهيزات ردياب زيردرياييها ميباشد. مثلاً دردماغه زيردريايي(Trident) از 5 تن مواد پيزوسراميك كه همگي به صورت ديسكهايي با قطر 4 اينچ و ضخامت 0.25 اينچ هستند استفاده شده است كه اين تكنولوژي، زيردريايي را به حركت سريع، آرام و بي صدا در ميان آب قادر ميسازد. كاربردهاي ديگر اثر پيزوالكترسيته در برشكاري و جوشكاري و عيبيابي در داخل قطعات فلزي صنعتي است. جديدترين كاربردهاي اين مواد در پرينترهاي ink-jet است. از مواد فعالكننده نويز تا ايستگاههاي فضايي (مثلRaytheon)، پيزوسراميكها اجزا كليدي مورد نياز براي ساخت قطعات پيشرفته و سيستمهاي كارآمد را تشكيل خواهند داد.

فرايند توليد

فرايند ساخت پيزوسراميكها شامل 16 مرحله است كه با وزن كردن، مخلوط كردن و آسياب كردن موادي مانند زيركونيا، اكسيد سرب، تيتانيا، نيوبيا و اكسيد استرانسيم و غيره شروع مي­شوند. سپس مواد مخلوط شده كلسينه شده و واكنش انجام ميدهند تا تركيب تيتانات-زيركونات سرب تشكيل شود. تركيب تيتانات-زيركونات سرب تشكيل شده كه داراي مقداري رطوبت است به اندازه ذرات خيلي ريز آسياب ميشود. سپس چسبها و روانسازها افزوده ميشوند و ماده به دستآمده در اسپريدراير خشك ميشود تا يك پودر آماده براي تراكم حاصل شود.

بعد از آماده سازي مواد اوليه، فرايندي كه براي شكل دادن سراميك به كار گرفته ميشود، استفاده از پرس خشك يا ايزواستاتيك با فشار اعمالي بين 6 تا 100 تن است. اجزا شكل داده شده در دماي 1300 درجه فارنهايت در شرايط كنترلشده اتمسفري پخت بيسكويت ميشوند تا چسبها و روانكنندههاي لازم براي عمل شكلدهي در اين مرحله سوخته و خارج شود. قطعات بيسكويت در بوتههاي مخصوص “آلومينا بالا” قرار داده شده و براي پخت در دماي بالا در داخل كوره قرار داده ميشوند. كوره الكتريكي تا حدود دماي 2300 درجه فانهايت گرم ميشود و به مدت سه ساعت در اين دما نگه داشته ميشود (قطعات سراميكي براي كنترل تبخير احتمالي اكسيد سرب در خلال فرايند پخت در دماي بالا در بوتههاي آلومينا بالا قرار داده مي­شوند).

سپس سراميك پختهشده با دقت زيادي به اندازههاي معين ماشينكاري ميشود. بعد از مرحله اندازهبندي، قطعات سراميك متاليزه ميشود؛ يعني يك پوشش فلزي روي سطح آنها نشانده ميشود. اين كار به كمك تكنيك “silk screening” انجام ميشود و از الكترودهاي نقره، طلا، نيكل يا پلاتينيوم-پالاديوم استفاده ميشود. الكترودهاي متاليزه شده روي يك شبكه توري شكل كه از سيمهاي فلزي نسوز تشكيل شده است قرار گرفته و به داخل كوره حمل مي­شوند و در دمايي در حدود 700 درجه سانتيگراد پخته ميشوند.

بعد از اين مرحله، نوبت به عمل قطبيكردن قطعههاي سراميكي ميرسد. در عمل قطبيكردن ولتاژ جريان مستقيم(DC) به سراميكي كه در يك روغن ديالكتريك گرمشده و مقاوم قرار دارد، اعمال ميشود تا دوقطبيهاي آن در يك سمت جهتگيري كنند. قطعات سراميكي قطبيشده اكنون پيزوالكتريك هستند. بعد از قطبي كردن، نوبت به كنترل كيفي خواص ميرسد. قطعات جهت تضمين و تامين كردن خواص الكتريكي متناسب با نوع كاربردشان، آزمايش و بررسي مي­شوند. قطعات آزموده شده آماده بستهبندي و ارسال و استفاده هستند.

 

مقياس بازار

بهعلت كاربردهاي وسيع پيزوسراميكها ميزان عرضه آنها بسيار وسيع است. از نظر جهاني بازار اين مواد تقريباً 11 ميليارد دلار است و در ايالات متحده در حدود 1.5 ميليارد دلار تخمين زده مي­شود. كارشناسان صنعت پيشبيني ميكنند كه بازار اين مواد از رشدي به ميزان 20 تا 25 درصد در سه تا پنج سال آينده برخوردار خواهد بود. بهعنوان مثال تا پنج سال پيش صنعت خودرو مصرف‌كننده عمدهاي براي پيزوسراميك نبود اما امروز در خودروهاي جديد بالغ بر 30 قطعه پيزوسراميكي استفاده ميشود.

تحليل:

اگر قبول كنيم توليد محصولات سراميكهاي پيشرفته امري ضروري است (رجوع شود به سخنان دكتر مارقوسيان)، طبيعتاً بايد با راهكارهاي مشخص و با تعيين اولويتها پا به عرصة اين تكنولوژي گذاشت. با توجه به اينكه سراميكهاي پيشرفته شامل چند شاخه است، ابتدا بايد وارد شاخههايي شد كه علاوه بر قابل دستيابي بودن دانش فني و سهولت در انتقال تكنولوژي از بازار بزرگي در آينده برخوردار باشند.

پيزوالكتريكها همچنان كه در متن آمده است حدود 17 درصد بازار سراميكهاي پيشرفته را به خود اختصاص دادهاند ضمن اينكه داراي رشد بازار بسيار خوبي نيز ميباشند. در حال حاضر به صورت محدود در صنايع الكترونيك شيراز اين محصول توليد ميشود كه نشان دهندة وجود دانش فني و فناوري توليد هر چند به صورت محدود در كشور است. بنابراين با توجه به زمينههاي موجود و بازار رو به رشد اين تكنولوژي، پرداختن به آن در كشور داراي اولويت به نظر ميرسد.