سرامیک پیزوالکتریک دما بالا: جهش تازه علم مواد و چشم‌انداز کاربردها

مروری بر سرامیک پیزوالکتریک سرامیک پیزوالکتریک، این ماد […]

مروری بر سرامیک پیزوالکتریک

سرامیک پیزوالکتریک، این ماده چندبلوری، نه‌تنها اثر پیزوالکتریک دارد بلکه تبدیل متقابل انرژی مکانیکی و الکتریکی را نیز محقق می‌سازد. هنگامی که تحت نیروی خارجی قرار می‌گیرد، انرژی مکانیکی را با بازدهی بالا به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند؛ همین ویژگی باعث درخشش آن در کاربردهایی مانند فندک‌های پیزوالکتریک شده است. در مقابل، انرژی الکتریکی را نیز می‌تواند معکوساً به انرژی مکانیکی تبدیل کند؛ نمونه آن حلقه‌های سرامیک پیزوالکتریک در مبدل‌های فراصوتی است که نقشی حیاتی در دستگاه‌های ماسک‌سازی ایفا می‌کنند.

سرامیک پیزوالکتریک به‌عنوان شاخه مهمی از سرامیک الکترونیکی، جایگاهی بسزا در حوزه‌های مدرن اپتو-الکترو-مکانیک دارد. با توسعه شتابان فناوری‌های نوری-الکترونیکی-مکانیکی، دامنه کاربرد سرامیک پیزوالکتریک رو به گسترش است و هم‌زمان چالش‌های سخت‌گیرانه‌تری نیز برای اجزای پیزوالکتریک به همراه دارد. به‌ویژه تجهیزات الکترونیکی که در محیط‌های دمای بالا کار می‌کنند، الزامات بسیار سخت‌گیرانه‌ای به مواد پیزوالکتریک دیکته می‌کنند که عمدتاً در دو جنبه است: نخست، ماده باید دمای کوری بالایی داشته باشد تا در محیط دمای بالا خاصیت پیزوالکتریک پایداری را حفظ کند؛ دوم، ماده باید در گستره دمایی وسیع، پایداری پارامترهای پیزوالکتریک خود را حفظ کند تا کارکرد عادی تجهیزات تضمین شود.

چالش‌های محیط دمای بالا

در حال حاضر پژوهشگران در حال توسعه مواد سرامیک پیزوالکتریک با دمای کوری بالا و عملکرد بالا برای برآوردن نیازهای فزاینده کاربردهای دما بالایند. هم‌زمان باید مشخصه دمای کوری مواد سرامیک پیزوالکتریک و عوامل مؤثر بر آن را عمیقاً شناخت تا عملکرد مواد باز هم ارتقا یابد.

توسعه سرامیک پیزوالکتریک دما بالا

۱. سرامیک پیزوالکتریک دما بالا با ساختار پرووسکایت

امروزه مواد ساختار پرووسکایت کانون توجه پژوهش‌های علم مواد است. این اکسیدهای فلزی مرکب با ساختار بلوری مکعبی خاص خود نگاه پژوهشگران را به خود جلب کرده‌اند.

در سال ۱۹۴۲ در کشورهایی مانند آمریکا و ژاپن، بلور تیتانات باریم (BaTiO3) با ساختار پرووسکایتی ویژه کشف شد. نکته قابل‌توجه این‌که هرچند دمای کوری سرامیک تیتانات باریم تنها ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد و بسیار پایین‌تر از دمای زینتر آن یعنی ۱۳۰۰ درجه است، همین ویژگی جایگاهی منحصربه‌فرد در حوزه سرامیک برای آن رقم زده است.

از سوی دیگر، تیتانات سرب (PT) به‌عنوان ماده فروالکتریک ساختار پرووسکایت با دمای کوری بالا، در فرایند سرد شدن دانه‌های خالص، ساختار بلوری خود را از فاز مکعبی به چهارگوشه تغییر می‌دهد. اما تنش‌های داخلی ایجادشده در این گذار اغلب موجب شکستن سرامیک و اختلال در قطبش می‌شوند و تهیه و زینتر تیتانات سرب را دشوار می‌سازند. برای غلبه بر این مشله معمولاً باید مقادیر مناسبی افزودنی اصلاح‌گر به‌کار گرفت تا مواد سرامیک پیزوالکتریک با عملکرد عالی به دست آید.

در حال حاضر سرامیک زیرکونات تیتانات سرب (PZT) به‌طور گسترده مطالعه می‌شود و به‌عنوان ماده کارکردی با پتانسیل رشد بالا شناخته می‌شود. این ماده غالباً برای ساخت انواع اجزای الکترونیکی به‌کار می‌رود و به فرایند ساخت ساده، مواد اولیه در دسترس و قیمت پایین شهرت دارد. اما دمای کوری آن تنها ۳۸۶ درجه سانتی‌گراد است و همین محدودیت، کاربرد PZT در محیط‌های دما بالا را مقید می‌کند. برای عبور از این محدودیت، دانشمندان سرامیک جدید BSPT را با موفقیت توسعه داده‌اند. مزیت BSPT نسبت به سایر سرامیک‌های پیزوالکتریک نبود سرب در آن است که گامی مهم در راستای حفظ محیط‌زیست به شمار می‌رود.

۲. سرامیک پیزوالکتریک با ساختار لایه‌ای بیسموت

مواد این ساختار دارای خواص پیزوالکتریک عالی و مناسب ساخت انواع اجزای الکترونیکی‌اند. سرامیک پیزوالکتریک ساختار لایه‌ای بیسموت به‌عنوان ماده پیزوالکتریک دما بالای سازگار با محیط‌زیست و با عملکرد برتر، در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه است. ارتقای خواص پیزوالکتریک آن کانون توجه بسیاری از پژوهشگران است و عمدتاً از دو مسیر اصلاح فرایند و اصلاح با آلایش-جانشینی دنبال می‌شود. در مقایسه با سرامیک سنتی PZT، این خانواده در ساخت ادوات پیزوالکتریک عملکرد درخشانی دارد و در فیلترها، تبدیل انرژی و حوزه‌های فرکانس بالا و دما بالا کاربرد وسیعی دارد.

۳. سرامیک پیزوالکتریک با ساختار برنز تنگستنی

سرامیک پیزوالکتریک ساختار برنز تنگستنی به‌دلیل دمای کوری بالا، ثابت دی‌الکتریک پایین و ناهمسانگردی بارز، ماده بلوری الکترو-اپتیکی بسیار پرپتانسیلی است. این ماده در حافظه هولوگرافیک، اپتیک یکپارچه و پردازش سیگنال نوری نقش مهمی ایفا می‌کند. در این میان، متانیوبات سرب یکی از نخستین مواد فروالکتریک ساختار برنز تنگستنی است که کشف شد؛ این ماده ساختار برنز تنگستنی چهارگوشه‌ای دارد و دمای کوری آن به ۵۷۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

۴. سرامیک پیزوالکتریک نیوبات فلزات قلیایی

در اواخر دهه ۱۹۴۰، دانشمندان آمریکایی ترکیب تازه‌ای از نوع نیوبات فلز قلیایی یعنی ANbO3 را با موفقیت سنتز کردند. این ترکیب نه‌تنها خواص الکتریکی برجسته‌ای نشان می‌دهد، بلکه برای تهیه ادوات فرکانس بالا نیز مناسب است؛ از این رو در صنعت به‌عنوان جایگزین بالقوه مواد پایه سرب شناخته می‌شود. نیوبات لیتیم (LiNbO3) از میان ترکیبات این خانواده بسیار مورد توجه است.

۵. سرامیک پیزوالکتریک نیوبات لیتیم

از میان ترکیبات نیوبات فلزات قلیایی، نیوبات لیتیم (LiNbO3) با خواص الکتریکی استثنایی و سناریوهای کاربردی متنوع متمایز است. دمای کوری آن تا ۱۲۱۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد و خواص پیزوالکتریک، فروالکتریک، الکترو-اپتیک، پیروالکتریک و اپتیک غیرخطی را هم‌زمان داراست؛ بنابراین در ساخت فیلترهای پیزوالکتریک، مبدل‌های محیط‌های دما بالا و دیگر اجزای کلیدی کاربرد گسترده دارد. اما در فرایند تهیه سرامیک نیوبات لیتیم به‌دلیل فرار بودن عنصر لیتیوم، اغلب با دشواری تهیه و گستره محدود دمای زینتر روبه‌روست.

پیشرفت پژوهش‌های سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب

در سال‌های اخیر در توسعه سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب پیشرفت چشمگیری حاصل شده است؛ مواد با ساختار لایه‌ای بیسموت به‌عنوان نماینده این خانواده بسیار مورد توجه‌اند. این مواد نه‌تنها خواص پیزوالکتریک مطلوب، بلکه پایداری دما بالایی نیز دارند و گزینه‌ای تازه برای ساخت ادوات پیزوالکتریک سازگار با محیط‌زیست فراهم می‌کنند. هرچند عملکرد پیزوالکتریک و جفت‌شدگی الکترومکانیکی آن‌ها همچنان نیازمند ارتقاست، اما در مواد الکترو-اپتیک و مبدل‌های فرکانس بالا به‌طور گسترده به‌کار رفته‌اند.

کاربرد و آینده سرامیک پیزوالکتریک بدون سرب

مواد بدون سرب سازگار با محیط‌زیست و پایدارند و به‌تدریج جایگزین مواد پایه سرب سنتی می‌شوند. مواد سرامیک پیزوالکتریک دما بالا در انرژی‌های نو، هسته‌ای، پتروشیمی، اکتشافات زمین‌شناختی، هوافضا، صنعت خودرو و دفاع نقشی حیاتی ایفا می‌کنند؛ برای نمونه در حوزه هوافضا از حسگرهای پیزوالکتریک دما بالا برای پایش لحظه‌ای موتور هواپیما، بال‌ها و سایر اجزا استفاده می‌شود.

حوزه‌های کاربرد سرامیک پیزوالکتریک دما بالا

۱. انرژی‌های نو و هسته‌ای

در حوزه انرژی‌های نو، سرامیک پیزوالکتریک دما بالا در پایش تجهیزات کاربرد گسترده‌ای دارد و به کنترل وضعیت کارکرد تجهیزات و در نتیجه ارتقای پایداری و ایمنی سیستم‌ها کمک می‌کند.

۲. پتروشیمی و اکتشاف

در پتروشیمی و اکتشافات زمین‌شناختی، از مواد سرامیک پیزوالکتریک دما بالا برای ساخت حسگرهای محیط دما بالا استفاده می‌شود تا داده‌های کلیدی مانند دما، چگالی، فشار و ترکیب شیمیایی به دست آید.

۳. حمل‌ونقل و دفاع

در حوزه حمل‌ونقل و دفاع، سرامیک پیزوالکتریک دما بالا در موتورهای هواپیما و تجهیزات نظامی کارکردهای کلیدی پایش را ارائه می‌دهد و این برای ارتقای قابلیت اطمینان و ایمنی تجهیزات اهمیت فراوانی دارد.

وضعیت فعلی صنعت سرامیک و فرصت‌های توسعه

سرامیک پیشرفته به‌عنوان بخشی از صنعت مواد نو که مورد حمایت ویژه دولت است، در سال‌های اخیر روند رشد شتابانی داشته است. صنعت سرامیک به‌پشتوانه نیازهای فناوری 5G و خودروهای برقی با شتاب رشد می‌کند.رشد بازار عمدتاً در دو حوزه تجلی می‌یابد: نخست ظهور بازارهای نو مانند تقاضای سرامیک سازه‌ای ناشی از گسترش 5G و خودروهای برقی شامل بلبرینگ‌های سرامیکی، قطعات سازه‌ای و سرامیک الکترونیکی؛ و دوم شتاب گرفتن جایگزینی تولید داخلی.