پیرو الکتریک ها چه کاربردی در صنعت دارند؛ نقش حیاتی سرامیک های پیشرفته 110 سال پس از کشف

پیزوالکتریک ها گروهی از سرامیک های پیشرفته هستند که کاربردهای وسیعی در صنایع الکترونیک ، صنایع مصرفی ، پزشکی و صنایع نظامی دارند کاربرد سنسورهای پیزوالکتریکی در صنایع مختلف از جمله صنایع غذایی ، دارویی ، لوازم برقی و خودرو در حال پیشرفت است

کد خبر: ۱۲۱۵۲

در زیر گزارشی از کاربرد مقیاس بازار و مسائل فنی این مواد نقل شده و سپس تحلیلی درباره وضعیت این فناوری در کشور ارائه شده است: پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال 1892 کشف شد اعمال فشار به برخی کریستال ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک ها الکتریسیته تولید می کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال ها باعث جابه جایی دوقطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می شود آرایش یونهای مثبت و منفی ، تعیین کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است . به همین دلیل اثر پیزوالکتریسیته یا ایجاد جریان الکتریسیته القایی توسط وارد کردن فشار، در مواد کریستالی آنیزوتروپ رخ می دهد؛ یعنی در آن دسته از کریستال هایی که مرکز تقارن ندارند؛ زیرا در کریستال های متقارن هیچ ترکیبی از تنشهای یکنواخت نمی تواند سبب جداشدن بارهای الکتریکی شود اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک ، پیزوالکتریک باشد وقتی تحت تاثیر فشار قرار می گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می شود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می گیرد تغییر شکل مکانیکی می یابد میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد در ساختمان این سرامیک ها موادی نظیر اکسید سرب ، تیتانیا ، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبتهای مختلف با هم مخلوط می شوند با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می توان پیزوسرامیک ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد. موادی که فشار را به انرژی الکتریکی و انرژی الکتریکی را به انرژی حرکتی تبدیل می کنند در موارد مختلفی از جمله در مبدلهای پیزوالکتریک استفاده می شوند حسگرهای کوچک ، کم خرج ، حساس و کارآمد با رشد قابل توجهی ، امروزه در صنعت خودرو اهمیت یافته اند مدلهای جدید خودرو بین هجده تا سی سنسور دارند که شامل سنسورهای فشار برای کنترل میزان فشار وارده به صندلی ها، سنسورهای دما برای کنترل میزان گرما و شرایط جوی سنسورهای جریان برای ورودی هوای خودرو و سنسورهای شتاب برای سیستم ضد قفل ترمزی هستند. در صنایع پیشرفته نیز به طور وسیعی از این سنسورها استفاده می شود؛ مثلا صنایع نفت ، غذایی و آشامیدنی و دارویی ، همگی از این سنسورها برای کنترل سطح جریان سیال استفاده می کنند. سنسورهای جریان سیال و سطح و مبدلهای دوپلر، تخلیه اتوماتیک مخازن نفت و خطوط لوله را کنترل می کنند صنایع دیگر از سنسورها برای تستهای غیر مخرب استفاده می کنند مانند تستهای غیر مخرب تیرهای فولادی ، خطوط راه آهن و بدنه هواپیما. در بخش مراقبت های پزشکی نیز از پیزوسرامیک ها در مبدل تصویرگرهای تشخیصی و مونیتورهای فتال هرت استفاده می شود که هزینه پایین و ایمنی بالا، نشان کارایی این فرآورده است کاربردهای دیگر، شامل تفنگهای لیزری برای درمان آب مروارید چشم ، چاقوهای کوچک جراحی و کالبد شکافی ، مته ها و پاک کننده های دندانی ، پمپهای آی وی و پمپهای قلب می شود مبدلهای کوچک که در مجاری خون برای ثبت تغییرات متناوب ضربان قلب بیمار قرار داده می شوند نیز از سنسورهای پیزوالکتریک ساخته می شوند. تولیدکنندگان فرآورده های مصرفی نیز از استفاده کنندگان سنسورها هستند در ماشین های لباسشویی ، از سه سنسور برای کنترل میزان بار و میزان سطح آب و کنترل چرخش استفاده می شود سنسورهای پیروالکتریکی )تولید بار الکتریکی در سطح یک بلور در اثر گرما را پیرو الکتریسیته گویند که تمامی مواد پیرو الکتریک ، پیزوالکتریک نیز هستند(، در فرهای مایکروویو شرایط غذا را کنترل می کنند و در یخچال ها از سنسورهای برفک استفاده می شود. بعلاوه از آنها در ترانسفورماتورهای اولتراسونیک در مرطوب کننده ها، اتمایزرها، فندکهای اجاق گاز، زنگ خطر آژیرهای خطر، دستگاه ناقل صدا در گیتارهای اکوستیک و ضبط صوت های دارای دیسک فشرده نیز استفاده می شود یک استفاده مهم سرامیک پیزوالکتریک ، در ایجاد و دریافت کردن امواج صوتی است گستره کاربرد این مواد از ابزارها و تجهیزات اولتراسونیکی ، برای عمق یابی در دریا و پیداکردن محل تجمع ماهیها تا تجهیزات ردیاب زیردریایی ها است ؛ مثلا در دماغه زیردریایی ، از پنج تن مواد پیزوسرامیک که همگی به صورت دیسکهایی با قطر چهار اینچ و ضخامت 25/0 اینچ هستند استفاده شده است که این فناوری ، زیردریایی را به حرکت سریع ، آرام و بی صدا در میان آب قادر می کند. کاربردهای دیگر اثر پیزوالکتریسیته ، در برشکاری و جوشکاری و عیب یابی در داخل قطعات فلزی صنعتی است جدیدترین کاربردهای این مواد، در پرینترهای اینک جت است . از مواد فعال کننده نویز تا ایستگاه های فضایی ، پیزوسرامیک ها اجزای کلیدی مورد نیاز برای ساخت قطعات پیشرفته و سیستمهای کارآمد را تشکیل خواهند داد فرآیند ساخت پیزوسرامیک ها شامل شانزده مرحله است که با وزن کردن ، مخلوط کردن و آسیاب کردن موادی مانند زیرکونیا، اکسید سرب ، تیتانیا، نیوبیا و اکسید استرانسیم و غیره شروع می شوند سپس مواد مخلوط شده کلسینه شده و واکنش صورت می دهند تا ترکیب تیتانات زیرکونات سرب تشکیل شود. ترکیب تیتانات زیرکونات سرب تشکیل شده که مقداری رطوبت دارد به اندازه ذرات خیلی ریز آسیاب می شود سپس چسبها و روانسازها افزوده می شوند و ماده به دست آمده در اسپری درایر خشک می شود تا یک پودر آماده برای تراکم حاصل شود.بعد از آماده سازی مواد اولیه ، فرایندی که برای شکل دادن سرامیک به کار گرفته می شود، استفاده از پرس خشک یا ایزواستاتیک با فشار اعمالی بین شش تا صد تن است . اجزای شکل داده شده در دمای 1300 درجه فارنهایت در شرایط کنترل شده اتمسفری ، پخت بیسکویت می شوند تا چسبها و روان کننده های لازم برای عمل شکل دهی در این مرحله سوخته و خارج شود قطعات بیسکویت در بوته های مخصوص "آلومینابالا" قرار داده شده و برای پخت در دمای بالا در داخل کوره قرار داده می شوند. کوره الکتریکی تا حدود دمای 2300 درجه فانهایت گرم می شود و به مدت سه ساعت در این دما نگه داشته می شود )قطعات سرامیکی برای کنترل تبخیر احتمالی اکسید سرب در خلال فرایند پخت در دمای بالا، در بوته های آلومینا بالا قرار داده می شوند( سپس سرامیک پخته شده با دقت زیادی به اندازه های معین ماشین کاری می شود. بعد از مرحله اندازه بندی ، قطعات سرامیک متالیزه می شود؛ یعنی یک پوشش فلزی روی سطح آنها نشانده می شود این کار به کمک تکنیک سیلک اسکرینینگ صورت می گیرد و از الکترودهای نقره ، طلا، نیکل یا پلاتینیوم پالادیوم استفاده می شود الکترودهای متالیزه شده روی یک شبکه توری شکل که از سیمهای فلزی نسوز تشکیل شده است قرار گرفته و به داخل کوره حمل می شوند و در دمایی در حدود هفتصد درجه سانتیگراد پخته می شوند.بعد از این مرحله ، نوبت به عمل قطبی کردن قطعه های سرامیکی می رسد در عمل قطبی کردن ، ولتاژ جریان مستقیم به سرامیکی که در یک روغن دی الکتریک گرم شده و مقاوم قرار دارد، اعمال می شود تا دو قطبی های آن در یک سمت جهت گیری کنند قطعات سرامیکی قطبی شده ، اکنون پیزوالکتریک هستند. بعد از قطبی کردن ، نوبت به کنترل کیفی خواص می رسد قطعات برای تضمین و تامین کردن خواص الکتریکی متناسب با نوع کاربردشان ، آزمایش و بررسی می شوند قطعات آزموده شده آماده بسته بندی و ارسال و استفاده هستند به علت کاربردهای وسیع پیزوسرامیک ها، میزان عرضه آنها بسیار سریع است . از نظر جهانی ، بازار این مواد تقریبا 11 میلیارد دلار است و در ایالات متحده در حدود 5/1 میلیارد دلار تخمین زده می شود. کارشناسان صنعت پیش بینی می کنند که بازار این مواد از رشدی به میزان بیست تا بیست وپنج درصد در سه تا پنج سال آینده برخوردار خواهد بود. به عنوان مثال ، تا پنج سال پیش صنعت خودرو مصرف کننده عمده ای برای پیزوسرامیک نبود؛ اما امروز در خودروهای جدید، بالغ بر سی پیزوسرامیکی استفاده می شود اگر قبول کنیم تولید محصولات سرامیک های پیشرفته امری ضروری است ، طبیعتا باید با راهکارهای مشخص و با تعیین اولویت ها، پا به عرصه این فناوری گذاشت . با توجه به این که سرامیک های پیشرفته شامل چند شاخه است ، ابتدا باید وارد شاخه هایی شد که علاوه بر قابل دستیابی بودن دانش فنی و سهولت در انتقال فناوری ، از بازار بزرگی نیز در آینده برخوردار باشند پیزوالکتریک ها همچنان که در متن آمده است ، حدود هفده درصد بازار سرامیک های پیشرفته را به خود اختصاص داده اند ضمن این که رشد بازار بسیار خوبی نیز دارند در حال حاضر به صورت محدود در صنایع الکترونیک شیراز این محصول تولید می شود که نشان دهنده وجود دانش فنی و فناوری تولید هر چند به صورت محدود در کشور است بنابراین با توجه به زمینه های موجود و بازار رو به رشد این فناوری ، پرداختن به آن در کشور اولویت دارد.