تخصصی رشته سرامیک صنعتی
کمکی در حل مسائل به دانش جویان وعلاقه مندان به رشته سرامیک صنعتی
تخصصی رشته سرامیک صنعتی
کمکی در حل مسائل به دانش جویان وعلاقه مندان به رشته سرامیک صنعتی
جایگاه صنعت سرامیک
پیشرفت صنعت سرامیک در جهان کنونی و گسترش آن در تمامی شئونات زندگی ماشینی، اعم از مصارف خانگی و مصارف صنعتی به گونه‌ای اعجاب‌انگیز رو به فزونی است
اگر در گذشته نه چندان دور لفظ سرامیک بیانگر ظروف و سرویس بهداشتی بود، اما امروز با پیشرفت علم سرامیک هماکنون از دنیای پر رمز و راز الکترونیک
موجودی ظریف چون ترانزیستور تا آجر نسوز، از کارد میوهخوری گرفته تا بدنه موتور اتومبیل، از قطعات حساس موشک و سفاین فضایی تا فنرهای سرامیکی و
هزاران قطعه کوچک و بزرگ در صنایع نساجی، شیمیایی، الکترونیکی، الکتریکی، ماشین‌سازی و بطور اعجاب‌انگیز در زمینه پزشکی خصوصاً ارتوپدی صنعت سرامیک
حضور خود را می‌نمایاند.
آری اعجاب‌انگیز است که از مشتی خاک و گل، موجودی خلق میشود که از فولاد سخت‌تر، عایق در مقابل هزاران ولت جریان الکتریسته، برنده‌تر از تیزترین تیغ‌ها، فرم‌پذیر
به هر شکل دلخواه، مقاوم در مقابل انواع اسیدها و در دمای بالا غیرقابل نفوذ و در عین حال اگر بخواهیم، فوقهادی نرم همچون یک رشته نخ، قابل انعطاف همانند
یک فنر و نشکن چون پلاستیک را بوجود آوریم.
از خود سؤال می‌کنیم آیا تنها این قدرت اعجاب‌انگیز بشر است؟
پاسخ منطقی و منصفانه این است: که هرگز، زیرا این قدرت عظیم خداوندی است که در خاک کره زمین این همه توانایی را نهاده است که انسان خاکی با تلاش و کوشش
خود قادر به کشف این همه قوانین پیچیده حاکم بر طبیعت گردد.
وسعت صنعت سرامیک، در حالی که بیش از چهار هزار سال از قدمت آن می‌گذرد، بگونه‌ای است که تا هزاران سال دیگر قدرت مانور کشفیات جدید را در خود جای
میدهد. انقلاب بعد از الکترونیک در جهان صنعت، انقلاب سرامیک بوده تا جائی که میلیونها کتاب و مراکز بی‌شمار تحقیقاتی را به خود اختصاص داده است و نیز
علم و تکنولوژی را در هر روز شاهد یک اختراع، کشف و تحول جدید نموده است. در صنعت سرامیک کشور ما، خصوصاً در بخش کاشی، اکثر محققان بر این باورند که سابقه
ساخت سنتی آن و همچنین بکارگیری لعاب و رنگ جهت تزئین دارای قدمتی چندین هزار ساله میباشد ولی در زمینه تولید به صورت امروزی به خصوص در بخش چینی
مظروف و بهداشتی و همچنین تکنولوژی ماشین‌آلات آن جوان میباشد. هر چند که در سالهای اخیر این صنعت از رشد قابل توجهی برخوردار بوده است اما
همچنان برای رسیدن به قله موفقیت در این صنایع و جبران کمبودهای موجود، تلاش و همت همه متخصصین، خصوصاً اساتید دانشگاهها، مدیران خلاق، مسئولین
دلسوز دولتی و سرمایه‌گذاران وطن‌پرست و انساندوست را می‌طلبد.
از سرامیک های پیزوالکتریک چه می دانید؟
خلاصه:
در این مقاله بصورت خلاصه در مورد آنالیز و خواص سرامیک های پیزوالکتریک توضیح می دهیم. تمرکز ما بر روی سرامیک های پلی کریستال است، بنابراین سرامیک های تک کریستال، مواد پلیمری، کامپوزیت های آلی / غیرآلی (organic / inorganic composites) جزء اهداف مورد بررسی در این مقاله نمی باشد. برای فهمیدن کامل رفتار سرامیک های پلی کریستال پیزوالکتریک، مطالعه ی اطلاعات پایه در زمینه ی سرامیک ها ضروری می باشد. برای همین مسأله ما مقدمه ای کوتاه در مورد تاریخچه ی پیزوالکتریسیته و مباحث مربوط به کارهای انجام شده بر روی سرامیک ها و پیشرفت های مربوط به رابطه ی ساختار و رفتار مواد پیزوالکتریک به شما ارائه می دهیم. ما کوشش می کنیم ما متداول ترین روش های اندازه گیری را به خوبی توضیح دهیم و پارامترهای موثر به خواص پیزوالکتریک ها را توضیح می دهیم. برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر به منابع موجود در پایان مقاله مراجعه کنید. برای توضیح بهتر، ما از مثال (PZT) lead zirconate titanate استفاده می کنیم. زیرا این سرامیک بیشترین استفاده را داشته و مطالعات زیادی بر روی آن صورت گرفته است. مواد پیزوالکتریک
تاریخچه و کارهای انجام شده در این زمینه
مواد هوشمند، موادی هستند که متحمل فعل و انفعالات فیزیکی می شوند. یک تعریف معادل دیگر از مواد هوشمند این است که این مواد،موادی هستند که تغییرات محیطی را دریافت کرده و با استفاده از بازخوردهای سیستم، این تغییرات را حذف یا تصحیح می کنند. مواد پیزوالکتریک، آلیاژهای حافظه دار (shape-memory alloys)، مواد الکتروستریک (materials electrostrictive)، مواد تغییر شکل دهنده در اثر مغناطیس (magnetrostrictivematerials)، مایع های با خواص الکترورئولوژی (electrorheological fluids)، نمونه هایی از مواد هوشمند متداول هستند. تعریف و تاریخچه
پیزوالکتریسیته یک متغیر خطی است که به ساختار میکروسکوپی جامدات مربوط می شود. برخی از سرامیک ها هنگامی که تحت تأثیر فشار قرار گیرند پلاریزه می شوند. این پدیده ی خطی و آشکار به عنوان اثر پیزوالکتریک مستقیم (The direct Piezoelectric effect) نسبت داده می شود. اثر پیزوالکتریک مستقیم همیشه با اثر پیزوالکتریک معکوس، همراه است. که این اثر پیزوالکتریک معکوس زمانی اتفاق می افتد که یک قطعه ی پیزوالکتریک در یک میدان الکتریکی قرار گیرد. نواحی میکروسکوپ بوجود آمده در اثر پیزوالکتریسیته باعث جابجا شدن بارهای یونی در داخل ساختار کریستالی می شود. در غیاب نیروهای فشاری خارجی، این بارها در داخل کریستال توزیع شده و ممنتم دی پل ها همدیگر را خنثی می کنند. به هرحال، هنگامی که یک تنش خارجی بر قطعه ی پیزوالکتریک وارد شود، بارها به گونه ای جابجا گشته که تقارن دی پل ها از میان می رود. بر این اساس یک شبکه ی پلاریزه ایجاد شده و نتیجه ی آن ایجاد یک میدان الکتریکی است. ماده ای می تواند 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 1880 به وسیله پیروژاکوپ کوری در طی مطالعات آنها بر روی آثار فشار بر روی تولید بار الکتریکی در کریستال های کوارتز، کهربا و نمک راچل (Rochelle salt)، کشف شد. در سال 1881 واژه ی Piezoelectricity توسط w.Hankel برای اولین بار برای نامگذاری این اثرات پیشنهاد شد. البته اثر معکوس این خاصیت توسط Lipmann از قوانین ترمودینامیک استنباط شد. در سه دهه ی بعد، همکاری های فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه ی پیزو الکتریسیته انجام شد واژه ی میدان پیزو الکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد. البته کارهای انجام شده بر روی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلط با کریستال های پیزوالکتریک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است. به هرحال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شد که کاربردهای این مواد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند. لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل التراسونیک پیزو الکتریکی ساخت. موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزوالکتریک در کاربردهای زیر آبی شد. در سال 1935، Scherrer , Busch خاصیت پیزوالکتریک پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند. خانواده ی پیزوالکتریک های پتاسیم دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود. در طی جنگ جهانی دوم، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا، شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد. محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد اما این مسأله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیرکونا تیتانات (PZT) در دهه های 1940، 1950 برطرف شد. این خانواده از مواد خاصیت دی الکتریک و پیزوالکتریک بسیار خوبی داشتند علاوه بر این خانواده قابلیت مناسب شدن و استفاده در کاربردهای خاص را بواسطه ی دپ کردن آنها با عناصر دیگر، دارند. تا این تاریخ، PZT یکی از مواد پیزوالکتریک پر کاربرد است. این نکته قابل توجه است که بیشترین سرامیک های پیزوالکتریک تجاری در دسترس (مانند باریم تیتانات و PZT) ساختاری شبیه به ساختار پرسکیت (Perovskite) با فرمول CaTiO3 دارند.
ساختار پرسکیت (ABD3) ساده ترین آرایش اتمی است که در آن اتم های اکسیژن در حالت اکتاهدرال قرار دارند و اتم های کوچکتر (Nb, Sn, Zr, Ti و ... ) به صورت آرایش مربعی با اتم های اکسیژن پیوند خورده اند این کاتیون های کوچکتر فضاهای اکتاهدرال مرکزی را اشغال کرده اند (موقعیت های B) و کاتیون های بزرگتر (Na, Ca, Sr, Ba, Pb و...) در گوشه های سلول واحد جای می گیرد (موقعیت های A )، ترکیباتی مانند
KNbO3, NaNbO3, PbZro3, PbTiO3, BaTiO3 مورد مطالعه قرار گرفته و طول و دمای فروالکتریکی آنها و فازهای غیر فروالکتریک شان به صورت وسیع استخراج شده است. این ساختارها همچنین بوسیله ی اتم های مختلف جانشین شده تغییر می کند. این جانشینی های اتمی اتفاق افتاده موجب تولید ترکیبات پیچیده تری مانند
(Pb, Sr) (Zr, Ti) O3 , (Ba, Sr) TiO3 ، (k, Bi) TiO3, Pb(fe, Ta) O3 و ... می شود. تقریباًٌ در سال 1965 بود که چندین شرکت ژاپنی بر روی تولید فرآیندها و کاربردهای جدید وسایل پیزوالکتریکی، متمرکز شوند. موفقیت تلاش محققین ژاپنی موجب شد تا محققین دیگر کشورها نیز به سمت تحقیقات در این زمینه جذب شوند و امروزه، نیازها و استفاده ها از این مواد در بسیاری از رشته ها از جمله کاربردهای پزشکی، ارتباطات، کاربردهای نظامی و صنعت خودرو گسترش یافته است. بررسی تاریخچه ی پیزوالکتریسیته توسط W.G.Cady انجام شده است و در سال 1971 نیز کتابی با عنوان سرامیک های پیزوالکتریک منتشر شد. که این کتاب هنوز هم به عنوان یکی از منابع قوی در زمینه ی پیزوالکتریک ها مطرح است. فرآیند تولید سرامیک های پیزوالکتریک
تولید اغلب سرامیک های پیزوالکتریک توده ای با تهیه ی پودر آنها شروع می شود. پودر تولیدی سپس در اندازه و شکل مورد دلخواه پرس می شود. شکل خام تولیدی خشک و فرآوری گشته و از لحاظ مکانیکی سخت تر و پر دانسیته تر می شود. مهمترین فرآیندهایی که بر روی خواص و ویژگی های محصول تولیدی اثر می گذارند شامل: فرایند تولید پودر، فرآیند خشک کردن پودر و زینترینگ می شوند. مراحل بعدی انجام شده شامل: ماشین کاری، الکترونیک و قطب دار کردن (Poling) می شوند (قطب دار کردن یعنی: استفاده از یک میدان DC جریان برای جهت دهی به دی پل ها و القای خاصیت پیزوالکتریکی است) معمولی ترین روش برای تهیه ی پودر، مخلوط کردن اکسیدهای مورد نیازاست. در این فرآیند، پودر از مخلوط کردن نسبت های استوکیومتری مناسب از اکسیدهای تشکیل دهنده ی پیزوالکتریک بدست می آید. برای نمونه برای تولید (Lead Zirconiate titanate) PZT ، اکسید سرب، اکسید تیتانیم و اکسید زیرکونیم، ترکیبات اصلی هستند. براساس کاربرد و استفاده ای که از پیزو الکتریک تولیدی می شود، انواع متنوعی از عناصر دوپ شونده نیز به مخلوط افزوده می شود. که این عناصر دوپ شده موجب ایجاد خواص مورد نظر ما می شوند. سرامیک های PZT به ندرت بدون استفاده از افزودنی های دوپ شونده تولید می شوند. استفاده از عناصر دوپ شونده موجب اصلاح برخی از خواص این نوع سرامیک ها می شوند. افزودنی های دوپ شونده ای که در موقعیت های A قرار می گیرند باعث کاهش ضریب اتلاف (dissipation factor) شده که این مسأله بر روی تولید گرما تأثیر می گذارد، اما باعث کاهش ضرایب پیزوالکتریسیته (Piezoelectric coefficients) می شود. به همین دلیل پیزوالکتریک های تولیدی با این افزودنی ها بیشتر در کاربردهای التراسونیک و با فرکانس بالا استفاده می شوند. افزودنی های دوپ شونده ای که در موقعیت های B قرار می گیرند، باعث افزایش ضرایب پیزوالکتریسیته می شوند اما همچنین موجب افزایش ثابت دی الکتریک شده که این مسأله زیان آور است. پیزوالکتریک های تولیدی با این افزودنی ها دوپ شونده، به عنوان فعال کننده در کنترل کننده صدا- لرزش (control vibration and noise) ، عضله های خم کننده (benders)، کاربردهای موقعیت یابی نوری (optical positioning application) و ... استفاده می شوند.
فلوچارتی از مراحل تهیه ی سرامیک های PZT آورده شده است. مخلوط نمودن پودر اکسیدهای مورد استفاده در تولید سرامیک های پیزوالکتریک یک به دو روش انجام می شود که در زیر بیان شده اند.
1-روش سایش خشک با بال میل
2-روش سایش تر با بال میل هر دو روش تر و خشک دارای مزایا و معایبی هستند. روش سایش تر با بال میل سریع تر از روش خشک است. به هر حال عیب روش تر اضافه شدن مرحله ای برای جداسازی مایع از پودر تولیدی است. متداول ترین روش تولید PZT ها از سایش تر با بال میل بهره می گیرد. در روش سایش تر پودر پودر این سرامیک ها با بال میل، از اتانول به عنوان مایع و از زیرکونیای تکلیس شده به عنوان محیط سایش استفاده می شود. البته ممکن است به جای یک آسیاب معمولی از یک آسیاب ارتعاشی (Vibratory mill) استفاده شود. این فرآیند که توسط Herner ابداع شده خطر آلودگی پودر با اجزای جدا شده از گلوله ها و محیط سایش را کاهش می دهد همچنین محیط زیرکونیا به خاطر کاهش ریسک آلودگی استفاده می شود. البته مرحله ی تکلیس نیز یکی از مراحل تعیین کننده در تولید سرامیک های PZT است. این مرحله موجب کامل شدن فرآیند تبلور کشته که فاز پرسکیت در این مرحله تشکیل می شود. اهداف این مرحله خارج شدن مواد آلی و فرار از مخلوط است و واکنش اکسیدهای موجود در مخلوط برای ایجاد ترکیبات فازی مناسب قبل از فرآیند تولید قطعه است. همچنین از اهداف دیگر این مرحله کاهش حجم شرپنکیج و یکنواختی بهتر در طی زینترینگ و پس از آن است. پس از تکلیس، یک ماده ی چسبنده به پودر افزوده می شود و مخلوط شکل دهی می شود. شکل دهی قطعات ساده با روش پرس خشک در قالب و برای بدنه های پیچیده تر، روش های اکستروژن و ریخته گری دوغابی استفاده می شود. پس از آن اشکال تولیدی زینترینگ می شود ( در واقع بوسیله یک آون مواد چسبنده ی آن خارج شده و دنس می شود.) مشکل عمده در زینترینگ سرامیک های PZT، فراریت Pbo در دمای 800 درجه سانتی گراد است برای به حداقل رساندن این مشکل، نمونه های PZT در حضور یک منبع سرب مانند PbZro3 زینتر می شوند و در داخل یک بوته ی ذوب بسته حرارت دهی می شوند. اشباع شدن اتمسفر محل زینتر کردن با PbO باعث به حداقل رسیدن اتلاف سرب از بدنه های PZT می شود. در این شرایط زینترینگ می تواند در دمای متنوعی بین 1200-1300 درجه سانتیگراد انجام شود. با وجود این تدابیر پیش بینی شده معمولاً اتلاف 2-3% در مقدار سرب اولیه صورت می گیرد. پس از برش و ماشین کاری قطعه به شکل مناسب، الکترودها تعبیه می شود و یک میدان DC برای جهت دهی به قلمرو دی پل های داخل سرامیک پلی کریستال اعمال می شود. قطب دار کردن بوسیله ی جریان DC می تواند در دمای اتاق و یا در دماهای بالاتر انجام شود. البته این مسأله به ماده و ترکیب سرامیک بستگی دارد. فرایند پلاریزاسیون تنها اندکی دی پل های موجود در سرامیک پلی کریستال را هم جهت می کند و نتیجه ی پلاریزاسیون پلی کریستال کمتر از حالتی است که سرامیک تک کریستال باشد. این تکنیک تولید دارای ابهامات زیادی است البته تعداد زیادی از روش های تولید دیگر وجود دارد که سرامیک های PZT با خواص و ریزساختار عالی تولید می کنند. یک مشکل بوجود آمده در این روش انحراف از حالت استوکیومتری است. این مشکل اغلب به خاطر وجود ناخالصی در مواد اولیه و اتلاف سرب از بدنه در طی فرآیند زینترینگ بوجود می آید. که باعث تغییر خواص PZT در اثر جانشینی های ناخواسته، می شود. به عنوان یک نتیجه، خواص الاستیک در اثر این مشکل می تواند 5% ، خواص پیزوالکتریک 10% و خواص دیک الکتریک 20 درصد ( با یک بچ ثابت) تغییر کنند. همچنین، خواص دی الکتریک و پیزوالکتریک عمدتاً به علت عدم وجود یکنواختی کاهش پیدا می کنند (این عدم یکنواختی به خاطر هم زدن کم اتفاق می افتد). این مسأله هنگامی که اکسیدهای اصلی هم گون باشد مهم می باشد. در روش های توضیح داده شده در بالا، به هرحال، اجزای اصلی به صورت محلول جامد در آمده و این نشان داده شده است که مخلوط شدن هم گون محلول جامد هنگامی که این مسأله امکان نداشته باشد، مشکل است. روش های دیگر برای تولید سرامیک های پیزوالکتریک به شرح زیراند:
1) فرآیند هیدروترمال (Hydrothermal Processing)
2) روش های هم رسوبی (coprecipitation methods) همچنین این نکته قابل توجه است که توسعه ی وسیعی در زمینه ی فرآیندهای تولید پودر (Powder Processing)، شکل دهی و زینترینگ بوجود آمده است که نتیجه ی این توسعه ها، افزایش کاربرد سرامیک های پیزوالکتریک است. روابط ساختاری و خواص مواد
دانستن اطلاعات مربوط به پیزوالکتریسیته از ساختار مواد شروع می شود. برای توضیح بهتر، اجازه دهید بر روی یک کریستال از ( این تک کریستال های کوچک با قطر میانگین کمتر از Mm100) یک سرامیک پلی کریستال متمرکز شویم. این کریستال از اتم های مثبت و منفی تشکیل شده است که فضای خاصی را در سلولهای تکراری (سلول واحد) اشغال کرده اند. تقارن خاص سلول واحد تعیین کننده ی این مسأله است که آیا کریستال ما خاصیت پیزوالکتریسیته دارد یا نه؟ همه ی کریستال ها از 32 کلاس ( از 7 سیستم: تریکلینیک، مونوکلینیک، ارتورومبیک، تتراگونال، رمبوهدرال، هگزاگونال و کیوبیک) مشتق شده اند. از 32 کلاس، 21 عدد از آنها دارای تقارن مرکزی نیستند و 20 کلاس دارای خواص پیزوالکتریک هستند.
( یک کلاس از 21 کلاس فاقد تقارن مرکزی، پیزوالکتریک نیست زیرا این کلاس دارای دیگر عناصر تقارن است). نبودن مرکز تقارن بدین معناست که یک حرکت شبکه ی یون های مثبت و منفی نسبت به همدیگر که در نتیجه ی اعمال تنش بوجود می آید،تولید یک دو قطبی الکتریکی می کند. یک سرامیک از قرارگیری تصادفی این کریستال های پیزوالکتریک تشکیل شده است و به همین دلیل غیرفعال است. اثرات کریستال ها همدیگر را خنثی نموده و خاصیت پیزوالکتریک قابل اندازه گیری در سرامیک بوجود نمی آید. نواحی با بردار قطبی یکسان،قلمرو (domain) نامیده می شوند. قطب دار کردن یکی از روش های معمولی مورد استفاده برای جهت دهی به قلمرو هاست که این عمل بوسیله ی پلاریزاسیون سرامیک ها با استفاده از یک میدان الکتریکی ساکن انجام می شود. الکترودها بر روی سرامیک اعمال می شود تا قلمروهای پیزوالکتریکی چرخیده و در جهت میدان،جهت گیری کنند. نتیجه ی بدست آمده این گونه نیست که تمام قلمروها هم جهت شوند و با جهت گیری یکسان بخشی از قلمروها سرامیک پلی کریستال دارای یک اثر پیزوالکتریکی بزرگ می شود. در طی این فرایند ماده ی پیزوالکتریک در جهت محور قطبی شدن انبساط و در جهت عمود بر آن انقباض دارد.
روابط ساختاری
هنگامی که در مورد معادله ی ساختاری مواد پیزوالکتریک می نویسیم باید تغیرات تنش و جابجایی الکتریکی در سه جهت عمود بر هم محاسبه گردد. این جابجایی الکتریکی بوسیله ی اثرات کوپل های عمود بر هم بوجود آمده است. همچنین این اثرات نیز بخاطر تنش های مکانیکی و الکتریکی حاصل می شود. علامت تانسور ابتدا معین می گردد که در شکل 4 جهات مرجع نشان داده شده است. حالت کرنش با تانسور مرتبه دوم Sij معین می شود و حالت تنش نیز بوسیله ی تانسور مرتبه دو Tkl تعیین می شود. روابطی وجود دارد که تانسور تنش را به تانسور کرنش، تسلیم Sijkl و سختی Cijkl مرتبط می سازد. رابطه میان میدان Ej (تانسور مرتبه اول) و جابجایی الکتریکی Di (تانسور مرتبه اول)، ثابت دی الکتریک Eij است. که این ثابت یک تانسور درجه 2 است. بنابراین معادلات مربوط به مواد پیزوالکتریک به صورت زیر نوشته می شوند:
Di=ETij.Ej+dijk Tjk
Sij=dijk Ek+E Sijkl Tkl که در این روابط dijk و dijk ثوابت پیزوالکتریک هستند و تانسوری درجه 3 هستند. با لانویس E, T نشان می دهند که ثابت دی الکتریک Eij و ثابت الاستیک Sijkl تحت شرایط تنش ثابت و میدان الکتریکی ثابت، اندازه گیری شده است. عموماً تانسور مرتبه اول، 3 جزء دارد، تانسور مرتبه 2، 9 جزء و مرتبه 3، 27 جزء دارد. همچنین تانسور مرتبه 4، 81 جزء دارد. درصد خیلی کمی از این اجزاء تانسوری، مستقل هستند. هر دوتای این روابط وابسته به جهت هستند. آنها یک بسته از معادلات هستند که این خواص را در جهات مختلف ماده شرح می دهند. تقارن فضایی و انتخاب بردارهای مرجع، تعداد اجزای مستقل را کاهش می دهد. یک راه مناسب برای توصیف آنها استفاده از جهات برداری مناسب مانند آنهایی که در شکل 4 نشان داده شده است. بر اساس عرف، جهت قطبی شدن را با محور 3 نمایش می دهیم. همچنین صفحات برشی با زیرنویس 4، 5و 6 نشان داده شده است که این صفحات بر جهات 1،2،3 عمود می باشد.
کاربرد مواد پیزوالکتریک
مواد پیزوالکتریک کاربرد وسیعی در علوم مختلف دارند. این مواد در بسیاری از وسایل که نیازمند تغییر انرژی مکانیکی به الکتریکی و یا بالعکس است، استفاده می شوند. زمینه ی وسیعی از کاربردهای مواد پیزوالکتریک وجود دارد و با وجود این مسأله که این مواد نزدیک به یک قرن است که مورد مطالعه قرار گرفته اند. ولی هنوز هم پتانسیل استفاده شدن در کاربردها و ابداعات دیگر را دارند. البته به خاطر وسعت این کاربردها از بیان آنها چشم پوشی می کنیم.
ابررساناها میتوانند 150 بار بیشتر از سیم های مسی الکتریسیته را ه
ابررساناها میتوانند 150 بار بیشتر از سیم های مسی الکتریسیته را هدایت کنند.چون این مواد حرکت الکترونها که اساس رسانش هستند را محدود نمیکنند.اما برای رسیدن به شرایط ابر رسانایی،مواد باید تا زیر یک دمای بسیار پایین (به اصطلاح دمای گذار)سرد شوند که این موضوع استفاده گسترده از آنها را غیر عملی میسازد.
اکنون برای اولین بار دانشمندان کشف کرده اند که علاوه بر دستکاری های شیمیایی،شرایط ابر رسانایی با اعمال فشار بالا روی ابررساناهای به اصطلاح دمای زیاد( high-temp)نیز میتواند رخ دهد.این کشف پنجره جدیدی را برای درک و کنترل این مواد جادویی میگشاید.
در گذشته ابر رساناها باید تا دماهای بینهایت کم (زیر 20 k یا -423 F )سرد میشدند. اما در دهه 1980 دانشمندان دسته دیگری از مواد از جنس اکسیدهای مس سرامیکی (کاپریتها)کشف کردند که ابررساناهای دمای بالا نامیده شدند.دانشمندان دریافتند که در دمای بالایی در حدود 135 k این مواد به حالت ابررسانایی گذار میابند.فهم چگونگی کارکرد این مواد و همچنین دستکاری آنها،برای عمل کردن در دماهای بالاتر،اکنون یکی از مهم ترین مسائل حل نشده فیزیک است.
Viktor Struzhkin از همکاران این مطالعه در آزمایشگاه ژئوفیزیک موسسه کارنگی میگوید:
"در ابر رساناهای کاپریتی،اتم ها در یک ساختار لایه لایه منظم شده اند.وقتی ماده به حالت ابررسانایی گذار می یابد،تغییراتی در صفحات اکسید- مس رخ میدهد.اسپینهای الکترونی متفاوت رفتار میکنند،انرژی ارتعاشی دستخوش تغییر میشود،بارها متفاوت رفتار میکنند و از این دست اتفاقات."
همکار دیگر این مطالعه Alexander Goncharov چزئیات را اینطور شرح میدهد:
"بعد از سالها دانشمندان فهمیدند که دمای انتقال با مقادیر خاصی از دوپینگ میتواند افزایش یابد.عمل دوپینگ در این حالت افزودن ذرات باردار است.( چه الکترونهای با بار منفی و چه حفره های با بار مثبت)ما میخواستیم اثر فشار بالا را روی یک کاپریت دمای بالا با پایه بیسموت (Bismuth )ببینیم.فشار این حسن را دارد که میتواند به تدریج و در یک رنج پیوسته اعمال شود؛درست مثل تنظیم یک رادیو؛ما به تدریج فشار را روی ابررسانا تنظیم کردیم و توانستیم مشاهده کنیم که در یک بازه گسترده فشار چه اتفاقی می افتد."
این محققان اثرات زیر اتمی را در مواد در فشار نزدیک به350,000 برابر فشار اتمسفر در سطح دریا (35 Gpa)با کمک گرفتن از یک حفره سندان مانند الماسی برای فشرده کردن نمونه و هم چنین تکنیکهای اندازه گیری تغییرات مثل طیف نگاری رامن (Raman ) یا پراش پرتو X مشاهده کردند.
Tanja Cuk رهبر گروه و دانشجوی دانشگاه استنفورد که این کار را به عنوان قسمتی از تحقیقات تز دکتری خود انجام داده،خاطر نشان می کند:
" 21 GPa عددی جادویی بود؛ یک فشار بحرانی؛ با فشرده سازی ساختار ما توانستیم تغییرات را در 6 خاصیت فیزیکی مشاهده کنیم.نکته هیجان انگیز اینجا بود که این تغییرات،شبیه به چیزهایی بود که پس از دوپینگ مواد تا حالت بهینه مشاهده میشود و این موضوع به این معنی است که فشار بحرانی احتمالا با دوپینگ مرتبط است.علاوه بر آن ما با این کشف که فشار میتواند جایگزین دما و عمل دوپینگ شود،به رویکردی کاملا جدید،برای مطالعه خواص پشت پرده ابررساناهای با تکنولوژی بالا (high-Tc) دست یافته ایم."
به گفته Struzhkin این مطالعه با ایجاد یک دورنمای کاملا جدید از ابررساناهایی که با کمک تغییر فشار بدست آمده اند یک گام مارا به فهم مکانیسم ابررسانایی دمای بالا نزدیک میکند.
مشاهده میشود که ابررسانش مرز بین عایق بودن و حالت فلزی است.ممکن است با کاربرد این فشارهای بالا ما بتوانیم کلید گم شده در مکانیسم ابررسانش دمای بالا را کشف کنیم و چندین قدم به استفاده ابررساناها در زندگی روزمره نزدیک شویم.موضوعی که میتواند کل سامانه های انرژی ما را تغییر دهد
ابررساناها
ابررسانایی و مغناطیس: | |
|
Thermal conductivity رسانایی گرمایی
The thermal conductivity is the rate of heat transfer through a material in steady state. هدایت حرارتی دولت نرخ انتقال گرما از طریق مواد ثابت در. It is not easily measured, especially for materials with low conductivity but reliable data is readily available for most common materials. این است که به راحتی نیست ، اندازه گیری به خصوص برای مواد با رسانایی کم اما اطلاعات قابل اعتماد است به آسانی در دسترس برای بسیاری از مواد رایج است.
Thermal diffusivity نفوذ حرارتی
The thermal diffusivity is a measure of the transient heat flow through a material. نفوذ حرارتی مواد اندازه گیری حرارت از طریق جریان گذرا.
Specific heat گرمایی ویژه
The specific heat is a measure of the amount of energy required to change the temperature of a given mass of material. گرمای ویژه مواد اندازه گیری مقدار انرژی مورد نیاز برای تغییر دمای داده شده جرم. Specific heat is measured by calorimetry techniques and is usually reported both as C V , the specific heat measured at constant pressure, or C P , the specific heat measured at constant pressure. گرمایی ویژه است که تکنیک های اندازه گیری گرماسنجی های منتشر شده است و معمولا هر دو به عنوان سی پنجم ، اندازه گیری گرمای ویژه در فشار ثابت ، یا سی فسفر ، اندازه گیری گرمای ویژه در فشار ثابت است.
Melting point نقطه ذوب
The melting point is the temperature at which a material goes from the solid to the liquid state at one atmosphere. The melting temperature is not usually a design criteria but it offers important clues to other material properties. نقطه ذوب درجه حرارت جو است که در آن می رود از مواد جامد به مایع در یک دولت. درجه حرارت ذوب شدن است معمولا معیارهای طراحی آن را ارائه می دهد اما سرنخ مهم را به خواص مواد دیگر.
Glass transition temp درجه حرارت انتقال شیشه ای
The glass transition temperature, or T g is an important property of polymers. دمای انتقال شیشه ای ، گرم یا تی پلیمرهای مهم است اموال. The glass transition temperature is a temperature range which marks a change in mechanical behavior. دمای انتقال شیشه ای رفتار شده است که محدوده دمای علائم تغییر مکانیکی. Above the glass transition temperature a polymer will behave like a ductile solid or highly viscous liquid. Below T g the material will behave as a brittle solid. بالاتر از دمای انتقال شیشه ای یک پلیمر مایع رفتار خواهد شد مانند انعطاف پذیر جامد و یا بسیار چسبناک تی در زیر گرم مواد جامد خواهد رفتار به عنوان شکننده. Depending on the desired properties materials may be used both above and below their glass transition temperature. بسته به نوع مورد نظر خواص مواد ممکن است استفاده از هر دو درجه حرارت بالا و شیشه ای در زیر انتقال آنها.
Thermal expansion coefficient ضریب انبساط حرارتی
The thermal expansion coefficient is the amount a material will change in dimension with a change in temperature. It is the amount of strain due to thermal expansion per degree Kelvin expressed in units of K -1 . ضریب انبساط حرارتی دما است مقدار مواد در تغییر خواهد کرد در بعد با تغییر آن مقدار از فشار ناشی از انبساط حرارتی در درجه کلوین بیان شده در واحد ک -1. For isotropic materials " is the same in all directions, anisotropic materials have separate "s reported for each direction which is different. مواد همسانگرد (ایزوتروپیک) "است که همان در همه جهات ، مواد ناهمسانگرد دارند جدا" متفاوت است منتشر شده برای هر جهت که باشد.
Thermal shock resistance مقاومت در برابر شوک حرارتی
Thermal shock resistance is a measure of how large a change in temperature a material can withstand without damage. Thermal shock resistance is very important to most high temperature designs. مقاومت در برابر شوک حرارتی است ، میزان زیادی تغییر در درجه حرارت مواد می تواند به صدمه و بدون مقاومت در برابر مقاومت شوک حرارتی بسیار مهم است به درجه حرارت بالا ترین طرح ها. Measurements of thermal shock resistance are highly subjective because if is extremely process dependent. Thermal shock resistance is a complicated function of heat transfer, geometry and material properties. اندازه گیری مقاومت به شوک حرارتی بسیار ذهنی است زیرا اگر بسیار وابسته به روند مقاومت شوک حرارتی یک تابع پیچیده انتقال حرارت ، هندسه و خواص مواد. The temperature range and the shape of the part play a key role in the material's ability to withstand thermal shock. محدوده دما و شکل بخشی نقش کلیدی در توانایی و قابلیت مواد برای مقاومت در برابر شوک حرارتی. Tests must be carefully designed to mimic anticipated service conditions to accurately asses the thermal shock resistance of a material. آزمایش ها باید به دقت طراحی شده برای تقلید شرایط خدمات پیش بینی شده به دقت سنجش مقاومت شوک حرارتی از مواد.
Creep resistance مقاومت در برابر خزش
Creep is slow, temperature aided, time dependent deformation. خزش آرام است ، درجه حرارت کمک ، وابسته به زمان تغییر شکل. Creep is typically a factor in materials above one third of their absolute melting temperature or two thirds of their glass transition temperature. خزش معمولا عامل در مواد بالا یک سوم از ذوب درجه حرارت مطلق خود و یا دو سوم از دمای انتقال شیشه ای خود را. Creep resistance is an important material property in high temperature design, but it is difficult to quantify with a single value. مقاومت در برابر خزش طراحی مواد مهم اموال در درجه حرارت بالا ، اما دشوار است به مقدار کمی با تنها. Creep response is a function of many material and external variables, including stress and temperature. پاسخ خزش درجه حرارت عملکرد بسیاری از مواد خارجی و متغیر ، از جمله استرس و. Often other environmental factors such as oxidation or corrosion play a role in the fracture process. اغلب دیگر عوامل محیطی مانند اکسیداسیون یا بازی خوردگی نقش را در فرایند شکست.
Creep is plotted as strain vs. خزش رسم شده به عنوان سوش در مقابل time. زمان. A typical creep curve shows three basic regimes. منحنی خزش معمولی نشان می دهد رژیم های سه پایه. During stage I, the primary or transient stage, the curve begins at the initial strain, with a relatively high slope or strain rate which decreased throughout stage I until a steady state is reached. Stage II, the steady state stage, is generally the longest stage and represents most of the response. در طول مرحله اول ، یا گذرا مراحل اولیه آغاز می شود در منحنی فشار اولیه ، با شیب نسبتا بالا یا نرخ کرنش که دولت کاهش طول مرحله تا ثابت رسیده است. مرحله دوم ، مرحله حالت پایدار ، معمولا طولانی ترین صحنه و نشان دهنده بسیاری از پاسخ. The strain rate again begins to increase in stage III and rupture at t R generally follows quickly. نرخ کرنش دوباره شروع به افزایش پارگی در مرحله سوم و در تی تحقیق به طور کلی شرح زیر است به سرعت.
Different applications call for different creep responses. برنامه های مختلف پاسخ های مختلف برای تماس خزش. In situations where long life is desired minimum creep rate is the most important material consideration. Testing through stage II should be sufficient for determining minimum creep rate. در شرایطی که عمر طولانی مورد نظر است حداقل نرخ خزش توجه بوده است بیشتر مواد مهم است. آزمون مرحله دوم از طریق باید کافی باشد برای تعیین حداقل نرخ خزش. Is not necessary to proceed all the way to rupture. For this type of test the longer the test the more accurate the creep rate will be. Unfortunately practicality limits most creep tests to times shorter than would be desirable for high accuracy. لازم نیست به عنوان خوانده شده تمام راه را برای پاره. برای این نوع از آزمون دیگر آزمون دقیق تر میزان خزش خواهد بود. متاسفانه محدودیت های عملی ترین آزمون خزش به زمان کوتاه تر خواهد بود مطلوب برای دقت بالا.
For short lived applications such as rocket nozzles the time to failure may be the only consideration. برای زندگی برنامه های کاربردی کوتاه مانند نازل موشک هم به شکست ممکن است در نظر گرفتن تنها. The main issue is whether or not the component fails, not the amount of deformation it may undergo. For this application creep tests may be run to completion but without recording any data but the time to rupture. موضوع اصلی این است که آیا جزء نتواند ، نه مقدار آن تغییر شکل ممکن انجام دهند. برای این آزمون خزش نرم افزار ممکن است پاره شدن به طور کامل اجرا اما بدون هر گونه ضبط داده اما زمان. In this case temperatures may be elevated above expected conditions to provide a margin of safety. در این حالت درجه حرارت ممکن است بالا بالا انتظار می رود شرایط برای ارائه یک حاشیه ایمنی.
The main objective of a creep test is to study the effects of temperature and stress on the minimum creep rate and the time to rupture. هدف از آزمون خزش است که به مطالعه اثرات دما و استرس بر میزان خزش و حداقل زمان به پاره. Creep testing is usually run by placing a sample under a constant load at a fixed temperature. تست خزش معمولا درجه حرارت اجرا با قرار دادن نمونه تحت بار ثابت در ثابت. The data provided from a complete creep test at a specific temperature, T, and stress includes three creep constants: the dimensionless creep exponent, n, the activation energy Q, and A, a kinetic factor. تی اطلاعات ارائه شده از خزش کامل آزمون در دمای خاص ، و استرس شامل سه ثابت خزش : خزش توان بدون بعد ، ñ ، انرژی فعال سازی حساب کاربری پرسش ، و ، عامل جنبشی.