سراميكهاي پيزوالكتريك وكاربردهاي آن

[EN-EZEL 13,039]

نويسنده: حسين صالحي وزيري

 

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.