تيتانات زركونات الرصاص

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

زركونات تيتانات الرصاص ، وتُسمى أيضًا تيتانات زركونيوم الرصاص ، ويُختصر عادةً بـ PZT ، هي مركب غير عضوي صيغته الكيميائية Pb [ ZrxTi1 − x ]O3 ( حيث 0 ≤ x ≤ 1). وهي مادة خزفية من نوع البيروفسكايت تُظهر تأثيرًا كهرضغطياً واضحًا ، أي أنها تُراكم شحنة كهربائية استجابةً للإجهاد الميكانيكي. التأثير الكهرضغطي عملية عكسية: فالمواد التي تُظهر هذا التأثير تُظهر أيضًا التأثير الكهرضغطي العكسي، وهو توليد داخلي للإجهاد الميكانيكي نتيجةً لتطبيق مجال كهربائي. تُستخدم هذه المادة في العديد من التطبيقات العملية، مثل محولات الطاقة فوق الصوتية والمرنانات الكهرضغطية . وهي مادة صلبة بيضاء إلى بيضاء مصفرة. [ 1 ]

طُوِّرَ تيتانات زركونيوم الرصاص لأول مرة حوالي عام 1952 في معهد طوكيو للتكنولوجيا . [ 2 ] [ 3 ] بالمقارنة مع تيتانات الباريوم ، وهي مادة كهرضغطية قائمة على أكسيد معدني تم اكتشافها سابقًا ، يُظهر تيتانات زركونيوم الرصاص حساسية أكبر ودرجة حرارة تشغيل أعلى. تُختار الخزفيات الكهرضغطية للتطبيقات نظرًا لقوتها الفيزيائية وخمولها الكيميائي وانخفاض تكلفة تصنيعها نسبيًا. يُعد سيراميك PZT أكثر أنواع الخزفيات الكهرضغطية استخدامًا نظرًا لحساسيته العالية ودرجة حرارة تشغيله الأعلى مقارنةً بأنواع الخزفيات الكهرضغطية الأخرى. [ 4 ]

الخواص الكهروضوئية

بفضل خصائصه الكهروإجهادية، يُولّد زركونات تيتانات الرصاص فرق جهد (أو فرق طاقة) بين وجهين من أوجهه عند الضغط عليه (مما يُفيد في تطبيقات الاستشعار)، ويتغير شكله فيزيائيًا عند تطبيق مجال كهربائي خارجي (مما يُفيد في تطبيقات المُشغّلات). [ 5 ] تتراوح السماحية النسبية لزركونات تيتانات الرصاص بين 300 و20000، وذلك تبعًا للاتجاه والتشويب. [ 6 ]

نظرًا لكونه مادة كهروحرارية ، فإنها تُولّد فرق جهد كهربائي بين وجهيها عند تغير درجة الحرارة؛ وبالتالي، يُمكن استخدام زركونات تيتانات الرصاص كمستشعر حراري. [ 7 ] كما أن زركونات تيتانات الرصاص مادة كهروإجهادية ، مما يعني أنها تمتلك استقطابًا كهربائيًا تلقائيًا ( ثنائي قطب كهربائي ) يُمكن عكسه في وجود مجال كهربائي. [ 8 ]

تتميز المادة بنفاذية نسبية عالية للغاية عند حدود الطور المورفوتروبي (MPB) بالقرب من x  =  0.52 عند درجة حرارة الغرفة. [ 9 ] عند هذا التركيب وهذه الدرجة من الحرارة، يتعايش الطوران الرباعي والمعيني لـ PZT. مع ذلك، عند درجات حرارة أقل من 250 كلفن، يتحول تركيب حدود الطور المورفوتروبي إلى بنية بلورية أحادية الميل. [ 10 ]

بعض التركيبات تكون أومية حتى على الأقل250  كيلو فولت/سم (25  ميجا فولت/متر )، وبعدها ينمو التيار بشكل أُسّي مع شدة المجال قبل الوصول إلى الانهيار الانهياري ؛ لكن زركونات تيتانات الرصاص تُظهر انهيارًا عازلًا يعتمد على الزمن - قد يحدث الانهيار تحت ضغط جهد ثابت بعد دقائق أو ساعات، اعتمادًا على الجهد ودرجة الحرارة، لذا فإن قوتها العازلة تعتمد على النطاق الزمني الذي تُقاس عليه. [ 11 ] تُقاس قوى العزل الكهربائي لتركيبات أخرى بوحدة نطاق 8-16 ميجا فولت/متر . [ 12 ]

الاستخدامات

محول طاقة الموجات فوق الصوتية من زركونات تيتانات الرصاص

تُعد المواد القائمة على زركونات تيتانات الرصاص مكونات للمكثفات الخزفية ومحركات STM / AFM (الأنابيب).

يُستخدم زركونات تيتانات الرصاص في صناعة محولات الطاقة فوق الصوتية وغيرها من أجهزة الاستشعار والمحركات ، بالإضافة إلى المكثفات الخزفية عالية القيمة ورقائق ذاكرة الوصول العشوائي المرنة (FRAM) . كما يُستخدم زركونات تيتانات الرصاص في صناعة الرنانات الخزفية لضبط التوقيت المرجعي في الدوائر الإلكترونية. تحمي النظارات الواقية المضادة للوميض، والمصنوعة من زركونات تيتانات الرصاص، أطقم الطائرات من الحروق والعمى في حالة وقوع انفجار نووي. [ 13 ] يمكن أن تصبح عدسات زركونات تيتانات الرصاص معتمة في أقل من 150 ميكروثانية.

تجاريًا، لا يُستخدم عادةً في صورته النقية، بل يُطعّم إما بمستقبلات تُحدث فراغات أكسجين (أنيونية)، أو بمواد مانحة تُحدث فراغات معدنية (كاتيونية) وتُسهّل حركة جدران النطاقات في المادة. عمومًا، يُنتج تطعيم المستقبلات زركونات تيتانات الرصاص الصلبة ، بينما يُنتج تطعيم المانحات زركونات تيتانات الرصاص اللينة . يختلف زركونات تيتانات الرصاص الصلبة واللينة عمومًا في ثوابتهما الكهروإجهادية. تتناسب الثوابت الكهروإجهادية طرديًا مع الاستقطاب أو مع المجال الكهربائي المتولد لكل وحدة إجهاد ميكانيكي، أو مع الانفعال الميكانيكي الناتج لكل وحدة مجال كهربائي مُطبق. عمومًا، يتميز زركونات تيتانات الرصاص اللينة بثابت كهروإجهادي أعلى، ولكن بخسائر أكبر في المادة بسبب الاحتكاك الداخلي . في زركونات تيتانات الرصاص الصلبة ، تُثبّت الشوائب حركة جدران النطاقات، مما يُقلل الخسائر في المادة، ولكن على حساب انخفاض الثابت الكهروإجهادي.

أنواع

يُعدّ المركب PbZr 0.52 Ti 0.48 O 3 أحد المركبات الكيميائية الشائعة الدراسة . ويعود ازدياد الاستجابة الكهروإجهادية وكفاءة الاستقطاب بالقرب من x = 0.52 إلى ازدياد عدد حالات النطاق المسموح بها عند حدّ الطور المورفوتروبي (MPB). عند هذا الحدّ، تتساوى حالات النطاق الست الممكنة من الطور الرباعي ⟨100⟩ وحالات النطاق الثماني الممكنة من الطور المعيني ⟨111⟩ من الناحية الطاقية، مما يسمح بحد أقصى 14 حالة نطاق ممكنة. [ 14 ]  

على غرار تانتالات الرصاص والسكانديوم وتيتانات الباريوم والسترونتيوم ، يمكن استخدام زركونات تيتانات الرصاص في تصنيع مستشعرات التصوير بالأشعة تحت الحمراء غير المبردة ذات المصفوفة الثابتة لكاميرات التصوير الحراري . ويُستخدم كل من الأغشية الرقيقة (التي تُحضّر عادةً بالترسيب الكيميائي للبخار ) والهياكل الصلبة. وتقترب الصيغة الكيميائية للمادة المستخدمة عادةً من Pb1.1 ( Zr0.3Ti0.7 ) O3 ( وتُسمى زركونات تيتانات الرصاص 30/70). يمكن تعديل خصائصه بتطعيمه باللانثانوم ، مما ينتج عنه تيتانات زركونيوم الرصاص المطعم باللانثانوم ( تيتانات زركونات الرصاص ، وتسمى أيضًا تيتانات زركونيوم الرصاص واللانثانوم )، بصيغة Pb 0.83 La 0.17 (Zr 0.3 Ti 0.7 ) 0.9575 O 3 (تيتانات زركونات الرصاص 17/30/70). [ 15 ] [ 16 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جريج، ج. مارتي؛ أونرو، هانز-غونتر (2016). "المواد الكهروإجهادية". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . ص 1-26 . doi : 10.1002/14356007.a10_309.pub2 . ISBN  978-3-527-30385-4.
  2. ↑ شيراني، جين؛ تاكيدا، أكيتسو (1952). "التحولات الطورية في المحاليل الصلبة لـ PbZrO3 و PbTiO3 (1): تراكيز منخفضة من PbTiO3". مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية . 7 (1): 5-11 . doi : 10.1143/JPSJ.7.5 .
  3. ↑ شيراني، جين؛ سوزوكي، كازو؛ تاكيدا، أكيتسو (1952). "التحولات الطورية في المحاليل الصلبة لـ PbZrO3 و PbTiO3 (II): دراسة بالأشعة السينية". مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية . 7 (1): 12-18 . doi : 10.1143/JPSJ.7.12 .
  4. ↑ "ما هو تيتانات زركونيوم الرصاص؟" . americanpiezo.com . APC International . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2021 .
  5. ↑ سي. شتاينم؛ أ. جانشوف (2005). موسوعة العلوم التحليلية ( الطبعة الثانية). إلسيفير . الصفحات 269-276 . doi : 10.1016/B0-12-369397-7/00556-2 . ISBN   978-0-12-369397-6.
  6. ^ كوماري، نيتو؛ مونجا، شاجون؛ عارف، محمد؛ شارما، نيراج. سينغ، آرون. غوبتا، فيناي؛ فيلارينيو، باولا م.؛ سرينيفاس، ك.؛ كاتيار، RS (2019-01-30). "السماحية العالية لتيتانات زركونات الرصاص المطلية بالنيكل، Pb [ (Zr0.52Ti0.48)(1-x) Nix ] O3، السيراميك" . السيراميك الدولية . 45 (4): 4398-4407 . دوى : 10.1016/j.ceramint.2018.11.117 .
  7. ↑ ف.، وودي؛ س.، ستوك؛ هـ. ج.، غوريس (2009). "طرق القياس | الكهروكيميائية: ميزان الكوارتز الدقيق" . موسوعة مصادر الطاقة الكهروكيميائية . إلسيفير ساينس . ص 660-672 . doi : 10.1016/B978-044452745-5.00079-4 . ISBN  978-0-444-52745-5.
  8. ^ بيريز توماس، أمادور. مينجورانس، ألبا؛ تانينباوم، ديفيد؛ ليرا كانتو، مونيكا (2018)، “أكاسيد المعادن في الخلايا الكهروضوئية: الخلايا الشمسية ذات الأكسيد الكامل والحديد والبيروفسكايت” ، مستقبل أكاسيد أشباه الموصلات في الخلايا الشمسية من الجيل التالي ، إلسفير، الصفحات من 267 إلى 356، دوى : 10.1016/b978-0-12-811165-9.00008-9 ، ISBN  978-0-12-811165-9تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أبريل 2024
  9. ↑ روكيت، ج.؛ هاينز، ج.؛ بورناند، ف.؛ بينتارد، م.؛ بابيه، ف.؛ بوسكيه، س.؛ كونشيفيتش، ل.؛ غوريلي، ف.أ.؛ هول، س. (2004). "ضبط الضغط لحدود الطور المورفوتروبية في زركونات تيتانات الرصاص الكهروإجهادية". مجلة Physical Review B. 70 ( 1) 014108. Bibcode : 2004PhRvB..70a4108R . doi : 10.1103/PhysRevB.70.014108 .
  10. ↑ نوهيدا، ب.؛ كوكس، د.إ.؛ شيراني، ج.؛ غونزالو، ج.أ.؛ كروس، ل.إ.؛ بارك، س.-إ. (1999). "طور أحادي الميل كهروإجهادي في المحلول الصلب Pb(Zr1−xTix)O3". رسائل الفيزياء التطبيقية . 74 (14): 2059–2061 . doi : 10.1063/1.123756 .
  11. ↑ معزامي، رضا؛ هو، تشنمينغ؛ شيبارد، ويليام هـ. (سبتمبر 1992). "الخصائص الكهربائية للأغشية الرقيقة من زركونات تيتانات الرصاص الفيروكهربائية لتطبيقات ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية" (ملف PDF) . معاملات IEEE للأجهزة الإلكترونية . 39 (9): 2044. doi : 10.1109/16.155876 .
  12. ↑ أندرسن، ب.؛ رينغارد، إ.؛ بوف، ت.؛ ألبارييدا، أ.؛ بيريز، ر. (2000). "أداء مكونات السيراميك الكهروإجهادية متعددة الطبقات القائمة على زركونات تيتانات الرصاص الصلبة واللينة" . وقائع مؤتمر Actuator 2000 : 419-422 .
  13. ↑ كاتشن، ج. توماس؛ هاريس، جيمس أو. الابن؛ لاغونا، جورج ر. (1975). "مصاريع PLZT الكهروضوئية: تطبيقات" . البصريات التطبيقية . 14 (8): 1866-1873 . Bibcode : 1975ApOpt..14.1866C . doi : 10.1364/AO.14.001866 . PMID 20154933 . 
  14. ↑ راو، ر. غوري شانكار؛ كاناغاتارا، ن. (2015). "زركونات تيتانات الرصاص: مادة كهرضغطية" (ملف PDF) . مجلة البحوث الكيميائية والصيدلانية . 7 (5): 921-923 . ISSN 0975-7384 . 
  15. ↑ ليو، و.؛ جيانغ، ب.؛ تشو، و. (2000). "مقياس إشعاع حراري عازل ذاتي التحيز مصنوع من طبقات رقيقة متعددة من Pb(Zr,Ti)O3 المزروعة بالتراصف و Pb(Zr,Ti) O3 المطعم باللانثانوم ". رسائل الفيزياء التطبيقية . 77 (7): 1047-1049 . Bibcode : 2000ApPhL..77.1047L . doi : 10.1063/1.1289064 .
  16. ↑ كابرا، هيمانجي؛ ديوري، هـ. أ.؛ باتي، برانيتا (2019). "مراجعة حول المواد الكهروإجهادية المتقدمة (BaTiO3، PZT)" (ملف PDF) . مجلة التقنيات الناشئة والبحوث المبتكرة . 6 (4). ISSN 2349-5162 .