تحقیق درباره مواد به کار رفته در روش سل ژن

دانلود تحقیق و مقاله رایگان با عنوان تحقیق درباره مواد به کار رفته در روش سل ژن

مواد اوليه كه پيش از اين در بر شمردن مزاياي روش سل – ژن گفته شد، مواد اوليه مورد استفاده در اين روش، در طبيعت جهان تحت شرايطي پيچيده و خاص سنتز شده و با درجه خلوص بسيار بالايي در اختيار متقاضيان قرار مي گيرد. ما از الكوكسيدهاي فلزي يكي از بهترين و رايج ترين گزينه ها در فرآيند ساخت سل ژل pzt تا كنون (يعني تا سال 2006) مي باشد.

1 – 1-تيتانيوم تترا ايزوپروكسايد[1]:
اين تركيب با فرمول شيميايي شفاف، با ويسكوزيته 2.11cp، وزن مولكولي 284.25 g/h و چگالي بين 0.965 تا 0.967kg/L مي باشد. اين تركيب با خلوص بالا و جهت كار آزمايشگاهي از شركت Merck تهيه شد. در برخي مقالات بجاي اين تركيب از تيتانيوم دي ايزو پرو پوكسايد استفاده شده است. [p . 6,5] كه نوع اين تركيب تنها در انتخاب نوع حلال دخالت دارد، و با توجه به اينكه نتيجه نهايي يكسان است، ما تركيب تترا را انتخاب كرديم كه قيمت آن مناسب تر و تهيه آن راحتتر بود.

1-2 زيركونيوم ان پروپوكسايد[2]

اين تركيب با فرمول شيميايي با ويسكوزيته بالا، چگالي 1044kg/lit و جرم اتمي نسبي 327.5729 gmol با درصد وزني 70% در ران پروپانول[3] حل شده است. شركت Aldrich آنرا جهت استفاده در مراكز تحقيق و توسعه، منتشر نموده است. اين تركيب در مجاورت با هوا بسرعت لخته شده و خواص اساسي خود را از دست مي دهد. بنابراين بدقت خاصي در حين كار با آن نياز است.

1 – 3 – اسيتل استون[4]

حلالي بسيار مفيد و پركاربرد با فرمول شيميايي مي باشد. نام خلاصه آن acach مي باشد و شركت Aldrich با خلوص 99+% در اختيار ما قرار دارد. اين حلال جلوي تشيكل زود هنگام ژل را گرفته و به هم خوردن محلول كمك مي كند. البته نوع حلال مورد استفاده بستگي به نوع الكوكسيد فلزي انتخاب شده دارد. ايزوپروپانول[5] نيز از حلالهايي است كه در اين فرآيند مورد استفاده قرار مي گيرد.

1-4- استات ؟؟؟ آبر[6]

اين تركيب بصورت پودري سفيد رنگ با فرمول شيميايي با خلوص 989+% و محصول شركت Merck مي باشد، و جزو مواد اصلي در ساخت ژل PZT است.

1-5 – تريز هيدروكسي متيل اتان[7]

طبق مطالعاتي كه بعمل آمد، اين تركيب به انعقاد سريعتر سل كمك مي كند [p.5] از آنجا كه سه واحد متانول در اين تركيب به چشم مي خورد، روشي كه در آن از اين تركيب استفاده مي شود، به روش تريل[8] معروف است. مزين آن نسبت به روش ديول[9] (شيوه اي كه در آن از پروپاندول استفاده مي شود) كاهش زمان ژل شدگي است. شكل ظاهري اين تركيب بصورت گلوله هاي سفيد رنگ بود كه با فرمول شيميايي بسته و خلوص 99% از شركت Merck تهيه شد.

1-6- متوكسي اتانول[10]

يك حلال قوي و موثر جهت حل نمودن ژل نهايي مي باشد. فرمول شيميايي آن و نام مختصر آن MOE مي باشد. شركت Merck آنرا با خلوص 99.5% در اختيار ما قرار داد و در ليست ويژگي ها تركيبات شيمياي، آنرا مضر و خطرناك اعلام نمود. بكار بردن اين حلال، پايداري ژل نهايي را بطور چشمگيري افزايش مي دهد.

2 – شرايط آزمايشگاهي

جهت انجام فرآيند سل – ژل ما نياز به به يك آزمايشگاه شيمي با تجهيزات كامل داريم تمام مراحل كار بايستي در محيط نيتروژن انجام پذيرد.

بدين منظور جريان گاز از يك سمت بالن سه دهانه وارد محلول شده و از دريچه بالايي بالن خارج مي گردد. جهت پيشگيري از استنشاق گازهاي حاصل از واكنش تمام مراحل كار بايستي زير هود انجام شود. ما سيستم همزن مغناطيسي و گرم كن آنرا به يك ترموكوپل ديجيتال دقيقي متصل نموديم و آنرا درون ظرف آبي كه بالن محتواي درون آن ثابت شده بود، قرار داديم. بدين ترتيب دماي محلول با دقت بسيار بالايي در دماي دلخواه ما تنظيم مي گردد. توزين پودرها بكمك ترازوي ديجيتال در محفظه بسته شيشه اي و با دقت 0.001 g و توزين مايعات توسط سرنگ پلاستيكي با حجم هاي 25.ml , 25ml و و هر يك با دقتهاي انجام پذيرفت.

3 – ساخت سل – ژل

1-3- مخلوط كردن[11]

مقدار 14.88gr استيل استون مي افزاييم و اجاره مي دهيم بمدت 2 ساعت در دماي هم بخورد، در همين مراحل اوليه م شاهد يك مايه خميري رنگ و چسبانك هستيم كه براي همزدن آن با مشكل مواجه مي شويم. در اين مرحله طي واكنش هايي كه هنوز شناخته شده نيست، استيل استون كمك مي كند كه گروههاي پروپيل از زير كونيوم جدا شوند. شبيه آنچه در فصل قبل ديديم، آب به الكوكسيد سيليكن حمله مي كند و طي عمليات هيدورليز، گروههاي الكلي شكل مي گيرد. حاصل واكنش هيدروليز، گروههاي الكي شكل مي گيرد. حاصل واكنش هيدروليز، هيدروكسي هاي سيليكن است. موازات هيدروليز واكنش هاي تغليظ بصورت زنجيره اي رخ مي دهد. يعني گروههاي سيليكن هيدوركسي در كنار يكديگر قرار گرفته و با ديگري از آن پيوندهاي شكل مي گيرد. [20] .

بهمين شكل، آب حاصل از هيدروليز به پيوندها دو گانه كربن – اكسيژن در استيل استونه حمله برده و آنها را مي شكند، آب به الكوكسيدهاي فلزي نيز يورش برده و طي عمليات هيدروليز گروههاي الكلي، از جمله پروپانول شكل مي گيرد. بموازات اين واكنش ها، هيدروكسي هاي فلزي در كنار هم قرار گرفته و با هم واكنش مي دهند. حاصل اين واكنش ها تشكيل آب بعلاوه گروههايي شامل پيوندهاي فلز – اكسيژن فلز مي باشد. اين سري واكنش ها ادامه مي يابد و در اثر تكرار واكنش هاي هيدروليز و تغليظ، الكيل ها جدا شده و پلها M-O-M ايجاد مي شوند. [p-5].

با افزودن ساير مواد، اين واكنش ها بطور زنجيره اي پيش مي روند كه در نهايت شبكه شكل مي گيرد كه البته پس از حرارت دهي اتمها در ساختار پروسكايت متبلور مي شوند.

واكنش هايي هيدورنيز تغليظ مكانهاي شيميايي را رد سل ايجاد مي كنند بتدريج كه بشكه M-O-M شكل مي گيرد، آب و الكل خارج شده اند واكنش در حفره هاي شبكه باقي مي ماند.

پس از گذشت 2 ساعت از آغاز واكنش، دما را تا پايين آورده و ساير مواد را شامل 26.17gr استات سدب سرابه كه 14.56gr و تريز هيدروكسي متيل اتان و 13.7gr تيتانيوم پروپوكسايد (75 درصد وزني محلول در اسيكل استون) به محلول طلايي رنگ اوليه مي افزاييم.

2-3 – ژل شدگي

ژل در همان آنگونه كه ما دائم مجبور به حل آنيم. ويسكوزيته ژل در پايان كار بقدري بالا بود كه نمي شد آنرا از ظرف (بالن) خارج كرد. ما آنرا با محلول 0.75 مولار MOE,0.75M رقيق نموديم و به ظرفي مناسب جهت خشك كردن منتقل كرديم.

3 – 3 – خشك كردن

اين مرحله بر حسب نوع استفاه ما از ژل مي تواند جزء مراحلي اصلي كار نباشد، مثلاً در كشيدن فيبر يا ساخت لايه و يا ساندويچ كردن ژل مابين دو صفحه، خشك كردن حذف يا تعديل مي شود. جزئيات فرآيند خشك شدن در فصل قبل آمده است. ژل در دماي بمدت 24h (24 ساعت) در خشك كن، خشك شد. از آنجا كه ما هيچ تصوير و پيش زمينه اي از ژل خشك شده نداشتيم، آنرا 16 ساعت ديگر در اين دما نگه داشتيم. در نهايت آنچه بدست آمد، خميري قهوه اي رنگ و چسبناك شبيه چسب آهن بود. در حين خشك شدن قسمت اعظم آب و مواد الكي از حفره هاي ژل خارج شد. گر چه اين حرارت براي خشك كردن كامل ژل و تبديل آن به پودر كافي نبود. ما مواد بدست آمده را براي مراحل بعد به دو قسمت تقسيم كرده و در دو بوته از جنس آلومينا قرار داديم.

كلسينه كردن از جمله مراحل اساسي در ساخت سد اميك PZT مي باشد. مي توان گفت مهمترين مرحله در فرآيند ساختع اين مرحله مي باشد چرا كه ساختار اصلي سراميك در اين مرحله شكل مي گيرد. در حين كلسينه كردن همزمان با خروج كامل آب و الكل از حفره هاي ژل، اتمها در ساختار پروسكايت متبلور مي شوند.

1-4- زمان كلسينه كردن

در مقالات مختلف زماني كلسينه كردن در حدود كيساعت ذكر شده است. [P.4-P.2]. اين زمان براي مواردي است كه ژل PZT از تركيباتي كه متفاوت از آنچه ما بكار برديم، ساخته شده است.

ما نيز بدليل اينكه هيچ گزينه ديگري در دست نداشتيم، اين زمان را ملاك قرار داديم. با اولين بار آزمايش، نتيجه رضايتبخش بود. بطور قطعي مي توان اعلام نمود: يكساعت زماني مناسب جهت كلسينه كردن ژل PZT ساخته شده بروش تريل مي باشد.[12]

2-4- دماي الكسينه كردن

براي ما انتخاب دماي مناسب دشوار بود، چرا كه پودرهاي ساخته شدة PZT از الكوكسيدههاي متفاوت از آنچه ما در اين مقاله بكار برديم، ساخته شده بود در اين مقالات دما در بازه اي بين تا پيشنهاد شده است. (P.2 , P.4) ما دو دماي را براي دو نمونه انتخاب نموديم.

3-4- پخت نمونه

كوره مورد استفاده در اين مرحله، يك كوره پخت طولاني (Forni-Ficola-HOBY) قابل برنامه ريزي و داراي پروگرم

نمونه اول با شيب بدماي رسيد، يك ساعت در اين دما ماند و سپس از كوره خارج شد. نمونه دوم نيز بهمين ترتيب از دماي با شيب بدماي رسيد و يكساعت در دماي قرار گرفت. از آنجا كه نمونه ها پوردي بودند، نياز نبود تحت ژريم دمايي مشخصي سرد شود و ما نمونه ها را بلافاصله از كوره خارج كرديم. هر دو نمونه را كه بشكل پوردي زرد رنگ بودند در هاون آگات (عقيق) كاملاً پودر كرديم. چسبندگي پودرها بعلت ابعاد ريز دانه بندي بسيار زياد بود و براحتي به اجسام در تمام با خود مي چسبيد.

5 – مطالعات XRD

مطالعات پراش اشعه (XRD) x توسط دستگاه XRD مدل Philips نشان داد كه فاز پروسكايت PZT در نمونه كلسينه شده در دماي تشكيل نشده است. اما در نمونه كلسينه شده در دماي فاز پروسكايت PZT، بدون حضور هيچ فاز اضافي، كاملاً تشكيل شد. (شكل … ) پيكها در زوايي كه پيش بيني مي شد شكل گرفت. پيك اول در زاويه مربوط به جهتگيري مي باشد. پيك دوم كه قويترين پيك كريستال PZT است، در زوايه تشكيل شد. اين پيك حاصل پراش از صفحه (110) است. بهمين ترتيب پيك بعدي در فاصله تا معرف جهتگيري (111) و در معرف جهتگيري (200) مي باشند.

مطالعات XRD همچنين ساختار را براي نمونه كلسينه شده در دماي نشان داد. اين ساختار معادل استوكيومتري PZT(Zr/Ti:58/42) مي باشد. اين اختلاف نسبت به مقالاتي كه مواد مشابه آنها انتخاب شده بود، يني [P.5D.6]PZT(52/47) بعلت تفاوت در مقدار حلال استيل استون و نيز تفاوت در نوع الكوكسيد تيتانيوم و حلال آن مي تواند باشد. البته تاثير پارامترهاي گوناگون فرآيند سل – ژل شامل نوع و ميزان حلالها و محلولها، نوع ماده آغازگر واكنش، دما در هر مرحله، زمان، روند ژل شدگي، كهنگي، خشك كردن آبزدايي و چگالش، براستوميومتري جز مباحثي است كه بايد مورد مطالعه بيشتر قرار گيرد.

دماي كلسينه كردن پودر PZT ساخته شده از اين تركيب بين تا خواهد بود. انتخاب دمايي در حدود مي تواند بهترين گزينه باشد، بشرطي كه بخواهيم به ابعاد دانه بندي لطمه اي وارد نشود چرا كه در دماهاي بالاتر، ابعاد دانه هاي بشدت تحت تاثير قرار گرفته و رشد مي كنند.

6 – سينترينگ – يا رشد بلور

اين مرحله جهت افزايش استحكام سراميك در مقابل عوامل خارجي انجام مي شود. زمان و ميزان گرما دهي در اين مرحله تاثير بسزايي در اندازه دانه ها دارد و بهمين ترتيب اندازه دانه ها عاملي اساسي و تعيين كننده در ضرايب الكتريكي سراميك و چگالي آن مي باشد. (II) جهت سينترينگ بايستي پودر را بشكلي مشخص در آورد و آنرا جهت مراحل بعدي آماده نمود.

1-6- شكل دادن و قالب زدن

قالبي كه براي تهيه قرصها انتخاب كرديم، پرس پنوماتيك با فشار تهيه مي گردد. در حين قالب زدن مقداري چسب نيز به نمونه ها اضافه مي شود، كه از جنس مواد آلي است و هنگام سينترينگ خارج مي شود.

ما دو سطح قرص را ورق آلومينيوم قرار داديم تا سطح حتي الامكان صاف بدست آيد.

2-6- پخت نمونه يا سنترينگ

دما و زمان سينترينگ نيز از جلمه كمياتي بود بطور دقيق گزارش نشده بود. بعنوان اولين آزمايش دماي و زمان 2 ساعت بر طبق مراجع مشابه [P2~P4] انتخاب گرديد.

قوص ها ؟؟؟ روي صفحه اي از جنس اكومينا (AL2O3) قرار داديم و روي آنرا نيز با يك بوته اكومينيايي پوشانديم. كنار قرص ها زائده هاي پودر را قرار داديم تا با اشباع محيط مانع فرار سرب شويم. از آنجا كه فرار سرب اثر منفي بر خواص پيزوالكتريك مي گذارد، ما با پوشاندن كامل بوته با پودر آلومينا تا حد امكان مانع فرار سرب شديم.

مراحل مختلف تعدادي قرص در دماهاي بمدت دو ساعت سينتر شده و جهت مطالعات SEM آماده گرديد.

7 – بررسي ساختار ريز و مطالعات SEM

بمنظور مطالعه ساختار ريز و تعيين اندازه دانه ها، نمونه مورد نظر بايستي واجد شرايطي خاص باشد. نمونه هاي پودري در معرض تابش الكترون جابجا شده و تصاوير خوبي بدست نمي رسد. بنابراين بهتر است نمونه ها بصورت فرصهايي با سطوح صاف درآيند.

سطح نمونه بايد بگونه اي باشد كه اسكن الكترون از سطح آن بتواند دانه بندي و ساختار نمونه را بوضوح نشان دهد. بدين منظور نمونه طي مراحل زير بايستي مهيا گردد.

1-7- مانت كردن (نگه داشتن)[13]

از آنجا كه نمونه ها كوچك بوده و نمي توان آنها را براحتي پوليش داد، مانع آنها را در قرصهايي به قطر از جنس ماده اي شفاف و محبوس مي كنيم.

اين عمل توسط دستگاه Simpliment/mounting press ساخت شركت BUEHLER انجام مي شود.

2-7- پوليش كردن[14]

پوليش دادن توسط دو دستگاه (سايش درشت[15]- سايش[16]) پوليشر دستي BUEHLER/METASERV داراي 4 كاغذ سنبادة 800,600,400,320 ميكرون مي باشد. سنباده زدن بترتيب از سنباده درشت تا ريز با دقت و حوصله كافي بايستي انجام شود. در حين سنباده كاري از آب مقطر استفاده مي شود تا عمل پويش روانتر و كاملتر انجام پذيرد. مادامي كه سايپ درشت انجام مي شود، تغيير شكلهاي نرمتري روي سطح نمونه بعلت ذرات سايش دهنده بوجود خواهند آمد. البته اين ناحيه زياد عميق نبوده و توسط ذرات سايش دهنده ريزتر برداشته مي شود. تمام مراحل پويش دهي، بكمك ميكروسكوپ سطح نمونه را بررسي مي نماييم تا از چگونگي روند كار و موفقيت عمليات اطمينان حاصل كنيم.

7-2-2- پوليشر الكتريكي

دستگاه پوليشر الكتريكي با نام Grinder & Pokisher (ساخت BUEHLER/UK LTD , Coventry England) داراي دو سطح سنباده دوار است كه با سرعت قابل تنظيم 100 تا 500 REV/min مي چرخد، ماده ساينده مورد استفاده در اين مرحله خمير الماس 6,1 ميكرون مي باشد كه روي سطوح دوار ماليده مي شود. در پايان اين مرحله نبايستي هيچ گونه خراشي زير ميكروسكوپ مشاهده گردد. چنانچه اين مراحل بخوبي صورت نگيرد، SEM تصاوير مناسبي نخواهد داد و بايستي تمام مراحل را مجدد تكرار نمود. چنانچه ما يكبار بدليل پوليش ناكافي مجبور شويم مراحل را تكرار كنيم.

7-3- اولتراسونيك[17]

اولتراسونيك دستگاهي است كه با ايجاد امواج فرد صوت ناخالصي ها و زائده هاي موجود در سطح نمونه را از آن پاك مي كند. ما نمونه را بمدت شش دقيقه در آب مقطر موجود در ظرف اولتراسونيك (SASSUOLO – Italy) در دماي قرار داديم.

7-4- اچ كردن

فرآيند اچ كردن شامل شستشوي نمونه با محلول اسيدي با غلظت مناسب مي باشد بگونه اي كه سطح نمونه در حدي كه ساختار ريز را بخوبي نمايش دهدع خورده شود. ما نمونه را در محلول %1 اسيد فلوريدريك HF بمدت 5 ثانيه اچ كرده و سپس با آب مقطر شستشو داديم. نمونه پس از خشك كردن بمدت 45 دقيقه جهت مطالعه با SEM آماده مي باشد.

7-5- بررسي ساختار ريز بكمك SEM

نمونه هايي كه قرار است تحت مشاهدات SEM قرار گيرند بايستي توسط طلا كه بهترين رساناي جريان مي باشد، بمنظور ارتباط الكتريكي، پوشيده شوند. طلا توسط دستگاه اسپاترينگ[18] بر روي هر نمونه كوت مي شود.[19]

آنچه در مطالعات SEM براي ما اهيمت داشت، چگونگي دانه بندي و اندازه دانه‌ها[20] بود.

رديف

دماي سينترينگ بر حسب درجه سانتيگراد

مدت زمان سينترينگ بر حسب ساعت h

اندازه

دانه ها

نتايج

100

دانه ها ذوب شده و درون هم فرو رفتند مرز مشخصي نداشت. دما بالا بود.

900

700

مرز دانه ها مشخص تر مي باشد اما دما مي تواند پايين تر باشد.