بررسي پارامترهاي موثر بر زينتر دو مرحلهاي پيزوسراميك عاري از سرب نايوبات پتاسيم-سديم

ايمان مباشرپور1* ، تورج عبادزاده2 ، فاطمه اميري زاده3 و مهدي فيض پور4
استاديار، عضو هيات علمي پژوهشكده سراميك،پژوهشگاه مواد و انرژي، كرج، ايران
دانشيار، عضو هيات علمي پژوهشكده سراميك، پژوهشگاه مواد و انرژي، كرج، ايران
كارشناس مهندسي سراميك، پژوهشكده سراميك،پژوهشگاه مواد و انرژي، كرج، ايران
دانشجوي دكترا، پژوهشكده سراميك،پژوهشگاه مواد و انرژي، كرج، ايران
* Iman.mobasherpour@gmail.com
(تاريخ دريافت:01/ 11/1391، تاريخ پذيرش: 08/02/1392)

چكيده
سراميك هاي پيزوالكتريك سربي كه شامل درصد بالايي سرب مي باشند، به دليل سمي بودن سرب و ايجاد مشكلات مختلف محيط زيستي، تلاش هاي گوناگوني براي جايگزيني اين سراميك ها صورت گرفته است. در اين مقاله ابتدا پودر پيزوسراميك عاري از سرب نايوبات پتاسيم- سديم (KNN) به عنوان تركيب كانديد براي جايگزيني پيزوسراميك هاي پايه سربي با روش متداول حالت جامد سنتز شد و سپس پارامترهاي موثر بر زينتر دو مرحله اي اين سراميك – از جمله دماي مرحله اول (1T)، دماي مرحله دوم (2T)، مدت زمان نگهداري در دماي 2T مطالعه شد. همچنين تاثير زينتر دو مرحله اي بر ريزساختار و چگالي اين تركيب نيز بررسي گرديد. بررسي هاي انجام شده به وسيله ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) در كنار اندازه گيري چگالي نمونه ها حاكي از آن بود كه با زينتر دو مرحلهاي KNN مي توان ريزساختار را به نحوي كنترل نمود كه بتوان به چگالي- هايي تا 3/95% چگالي تئوري دست يافت، اين مقدار نسبت به چگالي نمونههاي زينتر شده متداول كه اغلب در حدود 5/93% مي باشد، افزايش قابل ملاحظه اي نشان مي دهد. اين در حالي است كه مدت زمان نگه داري در دماي 2T با آنچه عموماًٌ براي زينتر متداول سراميك KNN استفاده ميگردد، فقط دو برابر است، در صورتي كه زينتر هاي دو مرحله اي تاكنون در مدت زمان هاي طولاني زينتر انجام مي شده است. همچنين اين افزايش چگالي در زينتر دو مرحله اي همراه با كاهش درصد تخلخل(45/2%) و كاهش ميانگين اندازه دانه(μm 72/3) بوده است، در صورتي كه مقادير درصد تخلخل و ميانگين اندازه دانه براي زينتر معمولي، 48/6% و μm 48/6 مي باشد. لذا نتايج نشان مي دهد كه زينتر دو مرحله اي مي تواند به عنوان يك روش مناسب براي زينتر پيزوسراميك عاري از سرب KNN محسوب گردد.

واژه هاي كليدي:
پيزوسراميك عاري از سرب KNN، زينتر دو مرحلهاي، چگالي، تخلخل
1- مقدمه الكتريك عاري از سرب انجام شده و در اين راستا پيشرفت هاي در سال هاي اخير به دليل آسيب هاي سرب بر محيط زيست و قابل ملاحظه اي حاصل گرديده است. در ميان تركيبات عاري از سلامت انسان، تلاشهاي بسياري براي يافتن سراميك هاي پـيزو سرب، سراميك هاي نايوبات سديم-پتاسيم به علت داشتن

فصلنامه علمي پژوهشي فرآيند هاي نوين در مهندسي/ سال هشتم/ شماره اول / بهار1393
خواص دي الكتريك، پيزو الكتريك، ضرايب كوپلينگ و دماي كيوري بالا اهميت فراواني يافته اند [1].
در طي فرايند ساخت سراميك نايوبات سديم- پتاسيم دستيابي به چگالي بالا امري مشكل مي باشد، زيرا پايداري فاز نايوبات پتاسيم به °C 1040 و نايوبات پتاسيم-سديم به °C 1140 محدود مي شود و امكان زينتر در دماي بالا وجود ندارد. از طرف ديگر در دماهاي بالا تبخير اكسيد هاي قليايي موجود در اين مواد (به خصوص K2O در دماي بالاي °C840) سبب تغيير تركيب شيميايي مي شود. تغييرات جزيي درتركيب شيميايي منجر به ايجاد فازهاي اضافي شده كه برخي از آنها به شدت جاذب رطوبت مي باشند. در صورت وقوع اين مسأله، نمونه در معرض رطوبت تجزيه خواهد شد. دماي زينتر KNN خالص (دوپ نشده) در محدوده 1090 تا °C 1120 قرار مي گيرد [2].
روش هاي متعددي از قبيل پرس داغ، زينتر در حالت پلاسما و زينتر معمولي با استفاده از افزودنيها جهت زينتر اين نوع مواد سراميكي به كار گرفته شده است [3]. روش ديگري كه جهت كاهش رشد دانه و افزايش چگالي سراميك ها استفاده مي شود روش زينتر دو مرحله اي (TSS) مي باشد، اين روش اغلب براي تهيه تركيبات با دانههاي نانومتري شناخته شده است [4]. در فرايند زينتر دو مرحله اي ابتدا نمونه در يك دماي بالاتر (1T ) براي دستيابي به چگالي نسبي متوسط (بالاي 75%) گرم مي شود(به خاطر حساسيت زينتر سراميك KNN، براي اين تركيب چگالي هاي بالاتر در نظر گرفته مي شود) و پس از گذشت زمان اندك (معمولاًt1=1min ) با يك سرعت مشخص(°C/min10) تا دماي 2T سرد مي شود. نمونه در دماي 2T به مدت زمان 2t نگهداشته مي شود تا زماني كه چگالي آن كامل شود. روش زينتر دو مرحله اي كمك مي كند تا با افزايش دما، ريز ساختار همچنان دانه ريز بماند و رشد افراطي دانه ها ايجاد نشود. اين امر منجر به چگالي بالاي قطعه و بهبود خواص آن مي گردد. خواص پيزوالكتريك نيز از جمله خواصي است كه شديداً به چگالي نمونه زينترشده وابسته است. هر اقدامي كه سبب افزايش چگالي گردد، عموماً مي تواند خواص پيزوالكتريك را نيز به نوعي بهبود ببخشد. تاكنون سراميك هاي بر پايه KNN در يك محدوده دمايي باريك زينتر مي شد، طبق برخي مطالعات اخير انجام شده، زينتر دو مرحله اي مي تواند به طور موثري محدوده دمايي زينتر اين مواد را افزايش دهد [5]. لازم به ذكر است چگالي نسبي KNN خالص در حالت زينتر معمولي حدود5/93- 93% چگالي تئوري مي باشد. در اين مقاله پارامترهاي موثربر زينتر دو مرحله اي پيزوسراميك عاري از سرب نايوبات سديم-پتاسيم بدون افزودني مطالعه و تاثير اين روش بر ريز ساختار و افزايش چگالي نسبي بررسي شد.

2- مواد و روش انجام آزمايش
مواد اوليه مورد استفاده در اين تحقيق 3K2CO3 ،Na2CO و 5Nb2O همگي متعلق به شركت Merck آلمان و با خلوص بالاي
5/99% بودند. در ابتدا به منظور تبخير رطوبت، پودرهاي اوليه را درون خشك كن گذاشته وسپس طبق فرمولاسيون استوكيومتري توزين و با استفاده از گلولههاي زيركونيايي و در محيط اتانول درون يك محفظه پلي اتيلني به مدت 6 ساعت آسياب شدند. مخلوط حاصل را خشك كرده وسپس پودر مخلوط مواد اوليه كلسينه شد.
اصولاً استوكيومتري فرمولاسيون نايوبات هاي قليايي بسيار حساس به رطوبت محيط مي باشد، لذا بايستي در مراحل مختلف فرايند توليد دقت كافي به كار برده شود. پودر كلسينه شده با استفاده از محلول PVA (به عنوان بايندر) گرانول و با اعمال فشار تك محوره پرس شده و به قرص هايي با قطر mm10 تبديل گرديد. سپس اين قرص ها با استفاده از روش زينتر دو مرحلهاي مطابق رژيم حرارتي نشان داده شده در شكل 1 زينتر شدند. براي بررسي و شناسايي فازهاي پديده آمده، بعد از سينترينگ از روش پراش پرتو ايكس استفاده شد.آزمايش پراش پرتو ايكس با دستگاه Siemens تحت ولتاژ kV 30 و جريان mA 25 صورت گرفت. در اين آزمايش از پرتو ايكس Cu kα با طول موج 0 A54/1 استفاده شد. زمان اقامت در هر گام 1 ثانيه، اندازه گام 02/0درجه و محدوده θ2 بين 20 تا 80 درجه مورد بررسي قرار گرفت. چگالي نمونه ها با روش ارشميدس اندازه گيري و درصد هاي تخلخل و انقباض نمونه ها نيز محاسبه شد.
با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) سطح مقطع شكست نمونه ها بررسي گرديد. با داشتن تصاوير SEM، ميانگين اندازه دانه نمونه ها با استفاده از نرم افزار Clemex اندازه گيري شد.

KNN
شكل (1): رژيم حرارتي مربوط به زينتر دو مرحلهاي سراميك
.[6]
3- نتايج و بحث
نتايج آناليز اشعه X پودر KNN كلسينه شده در دماي °C950 در شكل 2 نشان داده شده است. تك فاز پروسكايت KNN در اين دما تشكيل شده و هيچ فاز اضافي مشاهده نمي شود. در روش زينتر دو مرحله اي، از ميان پارامترهاي موثر بر آن، ابتدا نياز به تعيين دماي 1T مي باشد. براي اين منظور نمونه هايي را با شرايط يكسان تهيه كرده و در دماهاي مختلف و با زمان هاي نگهداري t1 =1min زينتر شدند. با توجه به شكل 3 كه ميانگين چگالي نمونه ها را در اين دماها بيان مي نمايد، مي توان گفت كه دماي بهينه 1T مي تواند در محدوده دمايي C°1129-1114 واقع شود.
بررســي پارامترهــاي مــوثر بــر زينتــر دو مرحلـ ه اي پيزوســراميك عــاري از ســرب نايوبــات پتاســيم- سـ ديم
همان طور كه مشاهده مي شود در دما هاي كم تر چگالي پايين بوده و چگالي بالا در دماهاي بيشتر با رشد افراطي دا نه ها همراهميباشد. بررسي دقيق تر اين موضوع به وسيله تصاوير تهيه شده از سطح مقطع شكست نمونه ها با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي(شكل 4) و مقادير ميانگين اندازه دانه ي نمونه هاي زينتر شده در اين دماها، امكان پذير ميباشد. (جدول 1 و شكل 5)

°CKNNXRD شكل (2): الگوي پودر كلسينه شده در دماي 950 به مدت 3 ساعت.

شكل (3): نمودار درصد چگالي نسبي نمونههاي KNN زينتر شده در دماهاي مختلف 1T.
فصلنامه علمي پژوهشي فرآيند هاي نوين در مهندسي/ سال هشتم/ شماره اول / بهار1393 باشد، سپس عمليات تراكم نهايي و افزايش چگالي ريزساختار مرحله دوم زينتر (2T ) حاصل مي شود. براي اغلب مواد، دماي تركيب، جهت گيري كامل ذرات نسبت به يكديگر و افزايش اندازه ذرات در حين زينتر قطعه، با زمان نگهداري در دماي

شكل (4): تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطح مقطع شكست نمونه هايKNNدردماهاي مورد نظر براي تعيين دماي 1T.
مطابق بررسي هاي انجام شده توسط محققان بر روش زينتر دو مرحله اي، دماي مرحله اول زينتر (1T ) بايد دمايي باشد كه در آن تخلخل ها حذف شده و قطعه از يك چگالي نسبي برخوردار 1T دمايي در نظر گرفته مي شود كه در كنار تخلخل كم و ميانگين اندازه دانه ي مناسب، چگالي نسبي به حدود 80-70 % چگالي تئوري برسد، اما براي تركيبات KNN به دليل حساس بودن به زينتر و داشتن يك محدود باريك دمايي در زينتر، دماي مرحله اول زينتر همان دماي زينتر نهايي يا دماهاي نزديك به آن در نظر گرفته شده و بررسي گرديد. جدول 1 بيانگر مقادير محاسبه شده براي چگالي نسبي، ميانگين اندازه دانه، درصدهاي تخلخل و انقباض نمونه هاي زينتر شده در دماهاي مورد بررسي براي تعيين دماي مرحله اول زينتر(1T) مي باشد. مقادير محاسبه شده براي ميانگين اندازه ذرات نمونه ها(مطابق جدول 1 و شكل 5 ) بيانگر اين است كه نمونه ها در دماي °C 1124 داراي كمترين ميانگين اندازه دانه بوده و اندازه دانه هاي كل ريزساختار نزديك به هم مي باشند و يا به عبارتي فاكتور پراكندگي (Std Dev)كمي دارند، اين در حالي است كه
كمترين چگالي و درصد تخلخل را نيز دارد. بنابراين موارد،دماي 1T بهينه زينتر بر اساس بيشترين چگالي ضمن توجه به دارابودن حداقل ميزان تخلخل و ميانگين اندازه دانه ها، دماي°C 1124 در نظر گرفته شد. با در نظر گرفتن دماي محاسبه شده براي 1T، حالات متفاوتي از زينتر دو مرحله اي با اعمال دماهاي مختلف مراحل اول و دوم زينتر و زمان هاي گوناگون نگهداري در دماهاي مرحله دوم و بدون نگهداري در دماي مرحله اول (t1=1min)، بررسي شد. اين شرايط مختلف از زينتر دو مرحله اي در جدول 2 آمده است.

جدول (1): خلاصه اي از ميانگين اندازه دانه، درصد چگالي نسبي، تخلخل،
انقباض وميزان پراكندگي اندازه دانه هاي نمونههاي KNN در دماهاي مورد بررسي جهت تعيين دماي 1T.
دماي 1T
(°C) زمان
t2
(min) دانسيته
نسبي (%) انقباض(%) تخلخل
(%)
ميانگين اندازه ذرات (μm) فاكتور
پراكندگياندازه ذرات (μm)
1104 2 76/25 14/95 36/06 4/87 1/85
1114 2 90/53 16/5 6/45 4/09 1/91
1119 2 91/5 16/9 7/72 3/16 1/02
1124 2 92/6 16/5 0/8 2/76 0/9
1134 2 91/23 16/7 8/18 5/56 2/56

شكل (5): نمودار ميانگين اندازه ذرات و فاكتور پراكندگي اندازه ذرات نمونه هاي زينتر شده در دماهاي بررسي شده براي تعيين دماي 1T.
جدول 3 نيز خلاصه اي از نتايج به دست آمده را نشان مي دهد.
نتايج به دست آمده حاكي از آن بود كه پارامتر هاي موثر بر زينتر دو مرحله اي به طور زيادي بر چگالي و ريز ساختار نمونههاي KNN كه در ادامه به طور كامل توضيح داده شده اند، تاثير گذار خواهد بود.
جدول (2): مشخصات سيكل هاي مختلف زينتر دو مرحله اي.
سيكل حرارتي T1 (°C) T1 (min) T2 (°C) T2 (hour)
TSS1 1114 1 1104 4
TSS2 1114 1 1109 4
TSS3 1124 1 1104 4
TSS4 1124 1 1114 1
TSS5 1124 1 1114 2
TSS6 1127 1 1107 4
TSS7 1127 1 1111 2
TSS8 1127 1 1114 2

جدول (3): نتايج به دست آمده از سيكل هاي مختلف بررسي شده از زينتر دو مرحله اي.
سيكل
حرارتي
درصد
دانسيتهنسبي درصد تخلخل
ميانگين
اندازه دانه
(μm) ها فاكتور پراكندگياندازه دانه ها
(μm)
TSS1 93/3 4/8 4/10 1/7
TSS2 90/88 5/6 4/77 2/3
TSS3 95/3 2/45 3/72 1/33
TSS4 92/6 5/95 2/36 1/00
TSS5 95/5 4/28 4/76 1/6
TSS6 94 4/52 5/46 2/20
TSS7 93/3 6/6 5/27 2/05
TSS8 92/32 5/49 5/81 2/60

سيكل حرارتي TSS1 در شرايط T1 =1114 °C و °C 1104= 2T انجام شده است. عمليات سرد شدن از دماي 1T تا دماي 2T تا حد امكان به سرعت صورت گرفته است، پس از مدت زمان نگهداري h 4 در دماي كمتر(2T )چگالي نسبي از % 2/92 به % 3/93 رسيده است. سيكل حرارتي TSS2 نيز در شرايط °C
1114=1T و T2 =1109 °C انجام گرفت. پس از سرد شدن از دماي 1T تا دماي 2T ، در دماي°C 1109 به مدت h 4 نگهداري شد. در اين شرايط از زينتر دو مرحله اي، چگالي از مقدار % 2/92 در دماي °C 1114 به مقدار % 88/90 با نگهداري به مدت h4 در دماي °C 1114 رسيد. از آنجايي تركيبات KNN محدوده دمايي زينتر كم و باريكي دارند، در فاصله دماهاي
نزديك به يكديگر نيز تغييرات زيادي رخ مي دهد. لذا با توجهچگالي حاصل مي توان گفت كه با دماي 1T يكسان و زماننگهداري در دماي 2T يكسان، دماي 2T كمتر مطلوب مي باشد.
شكل (6): الف) تصوير از سطح مقطع شكست نمونه در حالت ب) تصوير از سطح مقطع شكست نمونه در حالت ج) تغييرات اندازه دانه در حالت TSS1
TSS2SEMTSS1SEM
با توجه به نتايج ميانگين اندازه دانه براي اين دو سيكل حرارتي و تصاوير مربوط به سطح مقطع شكست آن ها، همان طور كه در شكل 6 آمده است و مقادير درصد هاي چگالي نسبي و تخلخل نمونه ها در اين سيكل هاي حرارتي، مشاهده مي شود كه TSS1
يتمماره
1273001776648

داراي ساختاري ريز دانه تر بوده و ميانگين اندازه دانه كمتريدارد. در حالي كه داراي چگالي بالاتري نيز مي باشد. لذا مي توان گفت كه اختلاف دماهاي 1T و 2T حائز اهميت بوده و در يك دماي 1T يكسان، دماي 2T كمتر، نتايج بهتري را به همراه دارد. چرا كه هر چقدر دماي 2T به دماي مرحله اول نزديك تر باشد، نمونه ها در معرض حرارت بالاتري زمان دهي مي شوند و لذا رشد دانه بيشتر و چگالي كمتري كسب خواهند نمود.
سيكل هاي حرارتي TSS3 و TSS4 و TSS5 با دماي يكسان °C 1124= 1T ، با دماهاي 2T متفاوت و نيز زمان هاي نگهداري مختلف در دماي 2T انجام شد. سيكل حرارتي TSS3 در شرايط T1=1124 °C و T2 =1104 °C انجام شد. پس از سرد شدن از دماي 1T تا دماي 2T ، در دماي°C 1104 به مدت h 4 نگهداري شد. در اين شرايط از زينتر دو مرحله اي، چگالي از مقدار 6/92% در دماي °C 1124 به مقدار 3/95% با نگهداري به مدت h4 در دماي °C 1104 رسيد. ميانگين اندازه دانه ها به مقدار 72/3 رسيده است، كه نسبت به نمونه هايي كه تا به حال با روشزينتر معمولي زينتر شده اند وضعيت بهتري دارد. بدين صورتكهميانگين اندازه دانه كمتري داشته و چگالي نيز از مقدار 5/93% در زينتر معمولي به 3/95% افزايش يافته است، كه با توجه به هدف افزايش چگالي تركيب نايوبات سديم ـ پتاسيم، نتيجه قابل توجهي مي باشد.
شكل (7): تصاوير مربوط به سطح مقطع شكست و نمودار هاي اندازه ذرات ريز ساختار نمونه ها ي زينتر شده در سيكل هاي حرارتي و

و
TSS 4 TSS 3
TSS 5
سيكل حرارتي TSS4 نيز در حالتي انجام شد كه دماي °C
1124=1T و T2 =1114 °C بوده و نمونه ها پس از سرد شدن تادماي T 2 =1114 °C، به مدت h 1 در اين دما نگهداري شدند. چگالي ها برابر با مقادير چگالي در دماي T1 =1124 °C بدون زمان نگهداري، گزارش گرديد. در اين حالت تخلخل بالاتري مشاهده گرديد. شكل7 نشان مي دهد كه در TSS4 ذرات در نقاط مختلف ريز ساختار در كنار يكديگر تجمع يافته و عمليات زينتر و جهت گيري ذرات به طور كامل صورت نگرفته است.
اين مطلب را مي توان به زمان كم نگهداري در دماي 2T نسبت داد. و يا به عبارتي ديگر ذرات فرصت كافي براي زينتر نيافته اند.
سيكل حرارتي TSS5 نيز در شرايطي انجام شد كه نمونه ها به دماي T1 =1124 °C رسيده و سپس تا دماي T2 =1114 °C سرد شده و به مدت h 2 در اين دما نگهداري گرديدند. در اين حالت چگالي 5/95 % مشاهده گرديد، اما تخلخل و ميانگين اندازه ذرات بالا تري نسبت به نمونه هاي زينتر شده در شرايط زينتر معمولي ديده مي شود.
با هدف مقايسه و بررسي بهتر دماي بهينه T1 =1124 °C محاسبهشده براي مرحله اول زينتر، سيكل هاي حرارتي TSS6 و TSS7 و TSS8 در دما ي بالا تري از °C 1124 ، يعني T1 =1127 °C و دما هاي 2T و زمان هاي نگهداري متفاوت در اين دما ها زينتر گرديدند.
در شكل8 تصاوير مربوط به سطوح مقطع شكست و نمودار هاي اندازه ذرات ريز ساختار نمونه هاي زينتر شده در اين سيكل هاي حرارتي مشاهده مي شود. سيكل حرارتي TSS6 در شرايط °C 1127=1T و T2 =1107 °C و زمان نگهداري h 4 در دماي 2T انجام شد. با توجه به تصاوير سطح مقطع شكست و نتايج حاصل شده ديده مي شود كه علي رغم چگالي 94 % ساختاري درشت دانه و متخلخل نسبت به نمونه هاي خوبي كه در اين كاربرد انتظار مي رود، دارد. رشد افراطي دانه هاي ريز ساختار در اين شرايط از زينتر را مي توان به بالا بودن دماي 1T نسبت داد.
سيكل حرارتي ديگري كه در اين بخش بررسي گرديد، TSS7 مي باشد. در اين سيكل از زينتر دو مرحله اي نمونه ها به دماي T1 =1127 °C رسيده و از اين دما تا دماي T2 =1111 °C سرد شده و به مدت h 2 در اين دما نگهداري شدند. سيكل حرارتي TSS8 نيز در در شرايط T1 =1127 °C و T2 =1114 °C و زمان نگهداري h2 در دماي 2T انجام پذيرفت. در اينجا مي توان عنوان نمود كه دماي T1=1127 °C دماي زيادي براي مرحله اول زينتر دو مرحله اي مي باشد، و تمامي نمونه هاي زينتر شده با اين دماي 1T داراي تخلخل و ميانگين اندازه دانه بيشتري نسبت به نمونه هاي زينتر شده با دماي T1=1114 °C و T1=1124 °C مي باشند. به نوعي مي توان گفت كه افزايش دماي 1T در اين سيكل هاي زينتر دومرحله اي موجب رشد افراطي شده است.
با توجه به بررسي ها و آزمايش هاي انجام شده، مطابق آنچه در
يـتمماره
شكل هاي 9 و 10 مشاهده مي شود، در ميان نمونه هاي زينترشده با روش زينتر دو مرحله اي، نمونه زينتر شده در حالت TSS3 ضمن اينكه چگالي بالايي دارد ( 3/93 % ) داراي درصد تخلخل و ميانگين اندازه ذرات كمتري نسبت به ديگر نمونه هاي زينتر شده در شرايط متفاوت از زينتر دو مرحله اي و نيز نمونه هاي زينتر شده با استفاده از روش زينتر معمولي مي باشد. بررسي درصد تخلخل نيز همراه با ديگر ويژگي ها ي ريزساختاري، امر مهمي بوده و لازم به توجه مي باشد. چرا كه در صورت وجود تخلخل در نمونه ها، هواي موجود در مكان هاي متخلخل مانع از جهت گيري دوقطبي هاي الكتريكي در اثر اعمال ميدان شده و در نتيجه خاصيت پيزوالكتريسيته كاهش مي يابد. عملاً وقتي يك نمونه ي متخلخل در معرض ولتاژ الكتريكي قرار مي گيرد، منجر به جرقه زدن و يا حتي شكسته شدن نمونه خواهد شد.
نمونه ي زينتر شده در حالت TSS5 نيز چگالي بالايي دارد ( 5/95 % ) اما در صد تخلخل و ميانگين اندازه دانه ي بالاتري دارد، حتي ميانگين اندازه دانه آن از نمونه ي زينتر شده با روش معمولي نيز كمي بيشتر است. اين امر را مي توان به برابر بودن دماي مرحله ي دوم زينتر در اين حالت (T2 =1114 °C ) با دماي نهايي زينتر در روش زينتر معمولي، نسبت داد. لذا به اين نتيجه مي توان دست يافت كه دماي 2T كم تر و زمان نگهداري بيشتر در دماي 2T ، قابليت رسيدن به چگالي بالاتر و ريز ساختاري متراكم تر با اندازه دانه كوچكتر كه داراي تخلخل كم تري نيز مي باشد را فراهم مي آورد. شكل 11 تصاوير مربوط به سطح مقطع شكست نمونه هاي به دست آمده از زينتر دومرحله اي كه داراي بهترين ويژگي هاي ريزساختاري بوده را با نمونه ي زينتر شده با روش زينتر معمولي مقايسه و نشان داده است.

شكل (8): تصاوير مربوط به سطوح مقطع شكست و نمودار هاي اندازه ذرات ريز ساختار نمونه هاي زينتر شده در سيكل هاي حرارتي TSS6 و TSS7 و
TSS8

شكل (9): نمودار ميانگين درصد چگالي نسبي و تخلخل نمونه هاي زي نتر شكل (10): نمودار ميانگين اندازه دانه ها و ميزان فاكتور پراكندگي شده در سيكل هاي مختلف زينتر دومرحله اي اندازه دانه هاي ريز ساختار نمونه هاي زينتر شده در سيكل هاي مختلف زينتر
دومرحله اي

TSS5

TSS3

TSS5

TSS3

شكل (11): بررسي بهترين نمونه هاي زينتر شده (3 و 5 ) با روش زينتر دو مرحله اي و مقايسه با نمونه زينتر شده با روش زينتر معمولي،
TSSTSS
از ديدگاه تصاوير سطح مقطع شكست نمونه ها

نتيجه گيري

در اين تحقيق سراميك پيزوالكتريك عاري از سرب نايوبات پتاسيم ـ سديم با استفاده از روش زينتر دو مرحلهاي ساخته شد. نتايج به دست آمده نشان داد كه پارامترهاي موثر بر اين روش زينتر از جمله دماي مرحله اول زينتر (1T)، مدت زمان نگهداري در دماي مرحله اول زينتر (1t )، دماي مرحله دوم زينتر (2T)، مدت زمان نگهداري در دماي مرحله دوم (2t)، بر ريزساختار، چگالي و درصد تخلخل تاثير گذار ميباشد. در ابتداي كار براي

ـيـتمـماره
تعيين دماي 1T بهينه از روش زينتر معمولي استفاده گرديد. به طوري كه يك سري از دماها انتخاب شده و نمونه ها با زمان نگهداريmin 2-1در اين دماها زينتر شدند. از ميان اين دماها، دماي C°1124 ضمن دارا بودن چگالي 6/92، كم ترين ميزان تخلخل و ميانگين اندازه دانه را داشت، لذا به عنوان دماي 1T بهينه منظور گرديد. پس از آن سيكل هاي مختلفي از زينتر دو مرحله اي بررسي گرديد. از ميان آنها سيكل حرارتي °C 1124=1T و T2 =1104 °C و زمان نگهداري در دماي 2T به مدت h4، نمونه هاي با شرايط بهتري را نتيجه دهي نمود. نمونه هاي زينتر شده با اين سيكل حرارتي داراي ميانگين چگالي 3/95% بوده و اين موضوع در مقابل بهترين نمونه هايي كه تاكنون با روش زينتر معمولي به بيشترين چگالي 5/93% رسيده اند، قابل مقايسه مي باشد. همچنين در اين روش از زينتر، نمونه ها ميانگين اندازه دانه و درصد تخلخل كم تري نسبت به نمونه هاي زينتر شده با روش معمولي داشتند. در نهايت مي توان گفت كه روش زينتر دو مرحله اي در يك شرايط كنترل شده مي تواند منجر به افزايش چگالي، بهبود ريزساختار و در نتيجه افزايش خواص الكتريكي سراميك KNN شود.

تشكر و قدرداني

اين پروژه با كد شناسهي 329017 تحت حمايت پژوهشگاه مواد و انرژي به انجام رسيده است. از كليه كارشناسان و كارمندان پژوهشكده سراميك، پژوهشگاه مواد و انرژي كمال تشكر و قدرداني را دارم.

مراجع

Y.L. Wang, Y.Q. Lu, M.J. Wu, D. Wang
&Y.X. Li, “Low-temperature sintering and electrical properties of (K, Na)NbO3 based lead-free ceramics with high Curie temperature”, Ceramics International, Vol. 38,
pp. s295-S299, 2012.

S. Zhang, H.J. Lee, C. Ma, X. Tan & A.
Fetiera. “Sintering Effect on Microstructure and Properties of (K,Na)NbO3 Ceramics”, Journal of the American Ceramic Society Vol. 94:11, pp. 3659-3665, 2011.

J. Fang, X. Wang, Z. Tian, C. Zhong & L. Li, “Two-Step Sintering: An Approach to Broaden the SinteringTemperature Range of Alkaline Niobate-Based Lead-Free Piezoceramics”, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 93 [11], pp. 3552-3555, 2010.

M. Maleki Shahraki, S. A. Shojaee, M. A. Faghihi Sani, A. Nemati & I. Safaee, “Twostep sintering of ZnO varistors”, Solid State Ionics, Vol. 190, pp. 99–105, 2011.

K. Maca, V. Pouchly & P. Zalud “Two-Step Sintering of oxide ceramics with various crystal structures”, Journal of the European Ceramic Society, Vol. 30, pp.583-589, 2010.

D. Wang, K. Zhu, H. Ji & J. Qiu, “Two-Step
Sintering of the Pure K0.5Na0.5NbO3 LeadFree Piezoceramics and Its Piezoelectric Properties”, Ferroelectrics, Vol. 392, pp.120126, 2009.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید