سرامیک پیزوالکتریک

در پیزوالکتریک‌ها تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ و تغییر آن می‌شود. یعنی ضربات وارد شده ناشی از فشار باعث تولید ولتاژ می‌شوند نمک راشل با اسم علمی پتاسیم سدیم تارترات که در میکروفن‌های قدیمی استفاده می‌شد خاصیت پیزوالکتریک دارد. کوارتس در انواع کریستال طبیعی یا کیفیت بالا و حتی تغییر یافته آن، از جمله مهمترین مواد پیزوالکتریک مورد دسترس، حساس و پایدار می‌باشند.[3]

مواد پیزوالکتریک موادی هستند که به خاطر فشار مکانیکی، می‌توانند الکتریسیته تولید کنند. همچنین، هنگامی که اختلاف پتانسیل الکتریکی به آن‌ها اعمال می‌شود، این مواد تغییر شکل پیدت می‌کنند. تمام مواد پیزوالکتریک نارسانا هستند و می‌توان آن‌ها را به دو گروه بلورها و سرامیک‌ها تفکیک کرد تیتانات زیرکونات سرب (PZT) تیتانات باریم و نیوبات لیتیم نمونه‌هایی از مواد پیزوالکتریک هستند. این مواد مصنوعی، اثر چشمگیرتری نسبت به کوارتز و سایر مواد پیزوالکتریک طبیعی دارند. تیتانات زیرکونات سرب در مقایسه با کوارتز (نخستین ماده پیزوالکتریک شناخته شده) اختلاف پتانسیل زیادتری را به ازای همان مقدار فشار مکانیکی اعمال شده، تولید می‌کند.

موادی می‌توانند از خود خواص پیزوالکتریک ارائه دهد که سلول واحد آن هیچگونه مرکز تعادلی نداشته باشد. خاصیت پیزوالکتریسیته به گروهی از مواد تعلق دارد که در سال ۱۸۸۰ به وسیله پیروژاکوپ کوری در طی مطالعات آنها بر روی آثار فشار بر روی تولید بار الکتریکی در کریستال‌های کوارتز، کهربا و نمک راچل (Rochelle salt)، کشف شد. در سال ۱۸۸۱ واژهٔ Piezoelectricity توسط Hankel برای اولین بار برای نامگذاری این اثرات پیشنهاد شد. البته اثر معکوس این خاصیت توسط Lipmann از قوانین ترمودینامیک استنباط شد. در سه دههٔ بعد، همکاری‌های فراوانی در انجمن‌های علمی اروپا در زمینهٔ پیزو الکتریسیته انجام شد واژهٔ میدان پیزو الکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد. البته کارهای انجام شده بر روی رابطهٔ میان الکترومکانیکی مختلط با کریستال‌های پیزوالکتریک در سال ۱۹۱۰ انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است.[4]

فرایند ساخت پیزوسرامیک‌ها شامل شانزده 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 آماده‌سازی مواد اولیه، فرایندی که برای شکل‌دادن سرامیک به کار گرفته می‌شود، استفاده از پرس خشک یا ایزواستاتیک با فشار اعمالی بین ۶ تا ۱۰۰ تن است. اجزا شکل داده شده در دمای ۱۳۰۰ درجه فارنهایت در شرایط کنترل‌شده اتمسفری پخت بیسکویت می‌شوند تا چسب‌ها و روان-کننده‌های لازم برای عمل شکل‌دهی در این مرحله سوخته و خارج شود. قطعات بیسکویت در بوته-های مخصوص "آلومینا بالاً 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). بعد سرامیک پخته‌شده با دقت زیادی به اندازه‌های معین ماشین‌کاری می‌شود. بعد از مرحله اندازه-بندی، 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 شده‌است قرار گرفته و به داخل کوره حمل می‌شوند و در دمایی در حدوداً ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد پخته می¬¬شوند. 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 می-شود 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 تأمین کردن خواص الکتریکی متناسب با نوع کاربردشان، آزمایش و بررسی می‌شوند.[5]

در سرامیک‌های پیزو که به عنوان حسگر یا مولد ولتاژ بکار برده می‌شود عموماً از اثر مستقیم پیزوالکتریک (تبدیل مستقیم فشار به ولتاژ) استفاده می‌شود. برای افزایش بازدهی این سرامیک‌ها معمولاً آن هارا بصورت دیسک یا صفحات نازک با قطر کم (معمولاً ۰٫۱۵ تا ۳۰ میلی‌متر) می‌سازند تا اثر فشار بر آن‌ها بیشترین بازدهی در تولید ولتاژ را داشته باشد. البته از این سرامیک‌ها به دلیل داشتن فرکانس تشدید بالا که تا رنج مگاهرتز هستند برای تولید نوسانات مکانیکی با فرکانس بالا نیز استفاده می‌شوند. تولید بخار آب سرد از نمونه ساده کاربرد این پیزوها می‌باشد یکی از کاربردهای وسیع پیزوالکتریک در تولید امواج فراصوت می‌باشد که کرابردهای وسیع آن به می‌توان به :سونار، شوینده‌های فراصوت، ترنسدیوسرهای پیزو و موتورهای التراسونیک پیزو اشاره کرد. با اعمال پالس‌های الکتریکی به سرامیک‌های پیزو این سرامیک‌ها شروع به نوسان می‌کنند و قادر به تولید امواج فراصوت می‌باشند هرچه فرکانس پالس اعمال شده به فرکانس سرامیک بیشتر باشد دامنه نوسان بیشتر خواهد بود. در صورتی که فرکانس طبیعی در محدوده فراصوت یا بیشتر باشد می‌توان از آن جهت کاربردهای التراسونیک استفاده کرد. استفاده از پیزوهای رینگی و صفحه ای در کاربردهای فراصوت رایج است. تنوع سرامیک‌های پیزوالکتریک از لحاظ کاربرد، تکنولوژی ساخت و شکل ظاهری در سرامیک‌های پیزو که به عنوان عملگر استفاده می‌شود بیشتر است. از اثر معکوس پیزوالکتریک در عملگرهای پیزو بهره گرفته می‌شود. برای افزایش بازده عملگرهای پیزو تغییراتی در شیوه ساخت آن‌ها اعمال شده‌است. از انواع عملگرهای پیزو می‌توان به:عملگرهای خمشی، عملگرهای چندلایه یا استک و عملگرهای سیلندری یا پیزوتوب اشاره کرد.[6]