مبانی نظری و پیشینه پژوهشی بررسی تأثیر پارامترهای ساخت بر خصوصیات کامپوزیتهای پیزوالکتریک تیتانات زیرکونات سرب-اکسید روی (PZT/ZnO)

با سحافایل در خدمت شما هستیم با «پیشینه پژوهشی و تحقیق و مبانی نظری بررسی تأثیر پارامترهای ساخت بر خصوصیات کامپوزیتهای پیزوالکتریک تیتانات زیرکونات سرب-اکسید روی (PZT/ZnO)» که بطور کامل و جامع به این مبحث پرداخته و نیاز شما را به هرگونه جستجوی بیشتری برطرف خواهد نمود.

فهرست محتوا

فصل دوم: مروری بر منابع. 5

2-1- مواد پیزوالکتریک

2-2- تاریخچه مواد پیزوالکتریک

2-3- کاربرد‌های پیزوالکتریک

2-4- پارامترهای مهم در پیزوسرامیک‌ها

2-4-1- فيزيك پيزوالكتريک

2-4-2- ثابت دی‌الکتریک

2-4-3- تانژانت اتلاف دی‌الکتریک (tan δ

2-4-4- ضریب کوپلینگ الکترومکانیکال (k_p

2-4-5- ضریب بار پیزوالکتریک (d₃₃

2-4-6- ضريب ولتاژ پيزوالكتريك (g

2-4-7- فاکتور کيفيت مکانيکي(Q_m)

2-4-8- ضرايب هيدرواستاتيک 15

2-5- سرامیک‌های پيزوالكتريك PZT

2-5-1- رفتار سرامیک پيزوالكتريك PZT. 17

2-5-2- دیاگرام فازی سیستم دوتایی PbZrO₃– PbTiO₃

2-5-3- خواص سرامیک‌های پیزوالکتریک PZT

2-5-4- كاربردهاي PZT

2-5-5- روش‌های سنتز پودرهای PZT

2-6- کامپوزیت بر پایه PZT

2-6-1- تأثیر اندازه ذرات PZT روی خصوصیات کامپوزیت‌های سیمان_PZT

2-6-2- کامپوزیت‌های پیزوالکتریک PZT/Ag و PZT/Pt

2-7- نانوکامپوزیت‌های PZT

مراجع

1-1     مواد پیزوالکتریک

مواد پيزوالكتريك موادي هستند كه در اثر اعمال تنش، يك ميدان الكتريكي در آن‌ها ايجاد مي‌شود و بر عكس، در اثر اعمال يك ميدان الكتريكي يك کرنش مکانیکی در آن‌ها ايجاد مي‌شود. اين مواد داراي يك پلاريزاسيون ذاتي در حداقل يك يا چند جهت كريستالوگرافي هستند. به عبارت ديگر اعمال يك فشار باعث ايجاد يك مقدار قابل اندازه‌گيري پتانسيل مي‌شود و بر عكس، اعمال يك ميدان الكتريكي باعث مقدار كمی تغيير شكل مي‌شود. در واقع پیزوالکتریک بار الکتریکی است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (مخصوصاً در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف) [1، 2].

لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است (یک منبع قدیمی جریان الکتریکی). اثر پیزوالکتریک یک ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی مربوط می‌شود. اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است. موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس(تولید کرنش مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند [3].

1-2     تاریخچه مواد پیزوالکتریک

قابلیت برخی مواد در ایجاد میدان الکتریکی متناسب با بار اعمالی برای اولین بار توسط برادران کوری و پیرو ژاکوب در سال 1880 کشف شد. اما تا قبل از سال 1940 ساخت مواد فروالکتریک جدید رشد چندانی نداشت. فروالکتریسیته عبارتست از وجود یک ممان الکتریکی خودبخودی در یک کریستال وقتی که جهت آن با اعمال یک میدان الکتریکی خارجی بین دو یا چند راستای مشخص و معلوم کریستالوگرافی قابل تغییر باشد. تا قبل از سال‌های 1940 فقط دو نوع ماده فروالکتریک، نمک راشل و فسفات دی‌هیدروژن پتاسیم شناخته شده بود. اما طی دهه 1940 اکسیدهای تیتانیم و باریم و در ادامه تیتانات باریم به جمع گروه مواد پیزوالکتریک اضافه شدند و به تدریج طی سال‌ها مهم‌ترین و اصلی‌ترین گروه سرامیک‌های پیزوالکتریک، یعنی خانواده PZT (تیتانات زیرکونات سرب) رشد و توسعه یافتند و در تجهیزات صنعتی فراوانی بکار گرفته شدند. با کشف خاصیت پیزوالکتریسیته در پلیمرها در سال 1969 پلیمرهای پیزوالکتریک مورد توجه قرار گرفت و از آنجائیکه خواص آن‌ها به تنهایی نیازهای صنعتی را برآورده نمی‌کرد، ساخت کامپوزیت‌های پلیمر-سرامیک از دهه 1980 شروع شد و رشد چشمگیری پیدا کرد [4].

مواد پیزوالکتریک سرامیکی نسبت به پلیمرها و کامپوزیت‌ها دارای مزایای ارزان‌تر و راحت‌تر بودن روش ساخت آن‌ها، ضریب کوپلینگ الکترومکانیکال مناسب و ضریب دی‌الکتریک بالا می‌باشند، همچنین سرامیک‌ها بسیار شکننده و ترد هستند و نمی‌توان به راحتی آن‌ها را به اشکال انحنادار و پیچیده ساخت، علاوه بر این‌ها نویزهای مزاحم زیادی در مورد رزونانس آن‌ها وجود دارد، که گسترش آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد [3].

منابع

[1] Solid state Physics Source Book. S.P. Parker (ed). (McGraw-Hill New York, 1988).

[2] A.J. Moulson and J.M Herbert: Electroceramics. (Chapman &  Hall London, 1990).

[3] W. Heywang and H. Thomann: Tailoring of Piezoelectric Ceramics. Ann. Rev. Mater. Sci. 14, 27-47 (1987).

[4] صادقیان، زهرا. “بررسی تأثیر فرایند ساخت بر ریزساختار و خواص سرامیک‌های پیزوالکتریک PZT” پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه علم و صنعت، دانشکده مهندسی و علم مواد. 1376

[5] خامنه اصل، شهاب. “تهیه سرامیک PZT و بررسی تأثیر افزودنی لانتانیوم بر خواص آن” پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی و علم مواد، (1384)

[6] R. Morrell: Handbook of Properties of Technical and Engineering Ceramics, Part 1. (Her Majesty’s Stationery Office London, 1985).

[7] G. Aliprandi and F. Savioli: Introduzione ai Ceramici Avanzati, Vol.1. (ENEA Rome, 1989).

[8] L.H. Van Vlack: Physical Ceramics for Engineers. (Addison-Wesley Reading MA, 1964).

[9] R.W. Schartez: Electronic and Magnetic Ceramics. In: Characterization of Ceramics. R.E. Loehman (ed). (Butterworth-Heinemann Stoneham MA, 1993).

[10] میرزائی، حجت ا….” تهیه سرامیک پیزوالکتریک زیرکونات تیتانات سرب (PZT) به روش ترسیب همگن و کلسینه کردن” پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده شیمی و معدن. (1383)

[11] G.H. Haertling, J. Am. Ceram. Soc. 82 (1999) 797–818.

[12] P.A. Jadhav, M.B. Shelar, B.K. Chougule, J. Alloys Compd. 479 (2009) 385–389.

[13] Z.P. Yang, Y.T. Hou, H. Pan, Y.F. Chang, J. Alloys Compd. 480 (2009) 246–253.

[14] Y. Cheng, Y. Yang, Y.P. Wang, H.Q. Meng, J. Alloys Compd. 508 (2010) 364–369

[15] H.Kueppers,T.Leuerer,U.Schnakenberg,W.Mokawa,M.Hoffmann,T. Schneller, U. Boettger, R. Waser, Sens. Actuators, A, Phys. 97–98 (2002) 680.

[16] P. Muralt, A. Kholkin, M. Kohli, T. Maeder, K. Brooks, R. Luthier, Integr. Ferroelectr. 11 (1995) 213.

[17] K. Kakegawa, O. Matsunaga, T. Kato, Y. Sasaki, Compositional change and compositional fluctuation in PZT containing excess PbO, J. Am. Ceram. Soc.78 (4) (1995) 1071-1075.

[18] S.S Chantreya, M. Fulath, A. Pask, Reaction mechanisms in the formation of PZT solid solution, J. Am. Ceram. Soc.(7).(1981) 422–425.

[19] S.K. Mishra, A.P. Singh, D. Pandey, Thermodynamic nature of phase transitions in PZT ceramics near the morphotropic phase boundary: I. Structural studies, Philos. Mag. B 76 (2) (1997) 213–226.

[20] WWW.american piezo.com/PZT (APC international, ltd).

[21] تابعی، سید علی. “سنتز نانو لوله‌های PZT به روش سل-ژل با استفاده از نانو لوله‌های کربنی” پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی و علم مواد، گرایش سرامیک، (1388)

[22] G.R. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn, and D.B. Marshall: A Critical Evaluation Of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness:I, Direct Crack Measurment. J. Am. Ceram. Soc. 64 [9], 533-538 (1981).

[23] C.B. Ponton and R.D. Rawling: Vickers Indentation Fracture Toughness Part 1, Reeview of Literature and Formulation of Standardized Indentation Toughness Equations. Mater. Sci. Tech. 5 [9], 865-872 (1989).

[24] معتکف، پویا. ” فرمولاسیون، ساخت و خواص نانو سرامیک‌های PMN-PZT”، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی و علم مواد، گرایش سرامیک، (1385)

[25] Chontira Sangsubun*, Manoch Naksata, Anucha Watcharapasorn,Tawee Tunkasiri and Sukanda Jiansirisomboon, “Preparation of PZT Nanopowders via Sol-Gel Processing”, Department of Physics, Faculty of Science, Chiang Mai University, Chiang Mai 5200,Thailand.

[26] R.E. Newnham, A. Amin, Chem. Tech. 29 (1999) 38.

[27] K. Uchino, Piezoelectrics and Ultrasonic Applications, Kluwer, Deventer, 1998.

[28] Z. Li, D. Zhang, K. Wu, J. Am. Ceram. Soc. 85 (2002) 305.

[29] S. Huang, J. Chang, R. Xu, F. Liu, L. Lu, Z. Ye, X. Cheng, Smart Mater. Struct. 13 (2004) 270

[30] A. Chaipanich, “Effect of PZT particle size on dielectric and piezoelectric properties  of PZT–cement composites”, Current Applied Physics 7 (2007) 574–577.

[31] Z. Li, B. Dong, D. Zhang, Cem. Con. Comp. 27 (2005) 27.

[32] H.L. Zhang, J.-F. Li, B.-P. Zhang, W. Jiang, “Enhanced mechanical properties in Ag-particle-ispersed PZT piezoelectric composites for actuator applications”, Materials Science and Engineering A 498 (2008) 272–277.

[33] J.-F. Li, K. Takagi, N. Terakubo, R. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 79 (15) (2001) 2441–2443.

[34] H.L. Zhang, J.-F. Li, B.-P. Zhang, J. Am. Ceram. Soc. 89 (4) (2006) 1300–1307.

[35] J.-F. Li, R. Watanabe, J. Am. Ceram. Soc. 78 (4) (1995) 1079–1082.

[36] American Society for Metals, Metals Handbook, vol. 2, Ninth ed. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Ohio, 1979.

[37] H.L. Zhang, J.-F. Li, B.-P. Zhang, J. Inorg. Mater. 21 (2) (2006) 448–452

[38] H.J. Hwang, M. Yasuoka, M. Sando, M. Toriyama, K. Niihara, J. Am. Ceram. Soc. 82 (9) (1999) 2417–2422.

[39] K. Niihara, R. Morena, D.P.H. Hasselman, J. Mater. Sci. Lett. 1 (1982)13–16.

[40] Niihara, K., New design concept of structural ceramics ceramics nanocomposites.J. Ceram.Soc. of Japan, 1990, 99, 974±982.

[41] Nakahira, A., Sekino, T., Suzuki, Y. and Nihara, K., High-temperature creep and deformation behavior of Al₂O₃/SiC nanocomposites.Ann. Chim. Sci. Mater., 1993, 18(5-6), 403±408.

[42] Hwang, H. J. and Niihara, K., Perovskite-type BaTiO3 ceramics containing particulate SiC.J. Mater. Sci., 1998, 33, 549±558.

[43] Hwang, H. J., Watari, K., Sando, M., Toriyama, M. and Niihara, K., Low-temperature sintering and high-strength Pb(Zr,Ti)O3-matrix composites incorporating silver particles.J. Am. Ceram. Soc., 1997, 80, 791±793.

[44] Malic, B., Kosec, M. and Kosmac, T., Mechanical and electric properties of PZT±ZrO2 composites. Ferroelectrics, 1992, 129, 147±155.

[45] K.  Tajima,  H.  Hwang,  M.  Sando,  K.  Niihara,  “PZT  nanocomposites reinforced  by  small  amount  of  oxide”,  Journal  of  the  European  Ceramic Society  19  (1999)  1179–1182.

[46] Rice, R. W., Hardness±grain size relation in ceramics.J. Am. Ceram. Soc., 1994, 77, 2539±2553.

[47] ASTM Specification C373, ASTM Standards, Part 13. (American Society for Testing and Materials Philadelphia, 1969).

[48] H.B. Lin, M.S. Cao, Q.L. Zhao, X.L. Shi, D.W. Wang, F.C. Wang, Scripta Mater. 59 (2008) 780–783.

[49] Yamamoto, T., Yamamoto, K., Tanaka, R., Okazaki, K. and Ueyama, T., Ferroelectric properties of Pb(Zr0.53Ti0.47)O3ceramics synthesized by partial oxalate method (using Zr0.53 Ti0.47O2 hydrothermal produced powder as a core of Pb(Zr0.53Ti0.47)O3). Jpn. J. Appl. Phys., 1989, 28(Suppl. 28-2), 63