الکتروسرامیک ها (Electroceramics)

الکتروسرامیک ها (Electroceramics) دسته ای از سرامیک های پیشرفته هستند که همگام با رشد و پیشرفت تکنولوژی، توسعه یافته اند. سرامیک های سنتی به واسطه خواص حرارتی و مکانیکی خود مورد توجه قرار می گرفتند ولی به تدریج خواص الکتریکی، نوری و مغناطیسی سرامیک ها در بسیاری از صنایع مانند مخابرات، تبدیل و ذخیره انرژی و الکترونیک مورد توجه قرار گرفت و منجر به توسعه الکتروسرامیک ها شد.

در اولین کاربرد سرامیک ها در صنعت برق از مزیت پایداری آن ها در شرایط بد آب و هوایی و یا مقاومت الکتریکی بالای آن ها که ویژگی بیشتر مواد سیلیکاتی است، بهره گرفته شد. روش هایی که در طول هزاران سال در سفالگری سنتی گسترش یافته بودند برای تولید بدنه عایق های الکتریکی اصلاح شدند. این عایق ها برای انتقال و جداسازی رساناهای الکتریکی در کاربردهایی از خطوط نیرو گرفته تا مقاومت هسته های سیم پیچ و المنت های حرارتی الکتریکی مورد نیاز هستند.

اگر چه در نیمه اول قرن بیستم مشخصه بدیهی سرامیک ها در کاربردهای الکتریکی، پایداری شیمیایی و مقاومت الکتریکی بالا بود، اما کاملا مشخص بود که گستره خواص آن ها بسیار وسیع است. برای مثال، مشخص شده بود که کانی مگنتیت که دریا نوردان اولیه آن را سنگ آهن می نامیدند، علاوه بر خواص مغناطیسی، دارای خواص هدایت الکتریکی مناسب نیز است. این ویژگی همراه با خنثایی شیمیایی، آن را به عنوان آند در استخراج هالوژن ها از نیترات های معدنی قابل استفاده کرد. هم چنین زیرکنیا به همراه مقادیر کمی از اکسید لانتانیدها (خاک های کمیاب می تواند با عبور جریان به دماهای بالا برسد و به صورت فیلامنت نرنست، یک منبع موثر نور سفید را تشکیل دهد. هم چنین مشاهده شد که برخی سرامیک ها، یعنی رساناهای یونی، جریان الکتریسیته را به خوبی هدایت می کنند. به همین دلیل در دو دهه اخیر این مواد به دلیل نقش تعیین کننده خود در فن آوری پیل سوختی، باتری و حس گرها مورد توجه قرار گرفته اند.

پیشرفت علم الکترونیک از سال 1910 که با استفاده همه جانبه از گیرنده های رادیویی و کابل های مخابراتی چند کاناله همراه بود، محققین را بر آن داشت تا در سال های 1930 تا 1950 در مورد فریت ها تحقیق کنند. فریت های نیکل - روی و منگنز - روی که از نظر ساختار شبیه سنگ آهن هستند، به دلیل مقاومت بالا و حساسیت کم به جریان های القایی، به عنوان مواد هسته ترانسفورماتور و دریچه در فرکانس های بالا تا 1MHz و یا بیش تر استفاده می شدند. فریت باریم ساخت آهن رباهای دائمی با هزینه کم و به شکل های کوچک که با فلزات فرومغناطیسی دست یافتنی نبود، را میسر ساخت. از سال 1940، پودرهای سرامیکی مغناطیسی، اساس نوارهای صوتی و ضبط را تشکیل دادند و سپس برای ساخت هسته مغناطیسی با قطر کمتر از 0.5mm مورد استفاده قرار گرفتند و تا چند سال مبنای حافظه پردازنده مرکزی کامپیوترها بودند. فریت ها و سرامیک ها مشابه دارای ساختارهای گارنت، همچنان ازاجزای موثر در فن آوری مایکروویو هستند.

از دهه 1920، سرامیک های رسانا مورد استفاده قرار گرفتند. به عنوان مثال می توان میله های کاربید سیلیسیمی مورد استفاده برای گرم کردن کوره ها تا دمای 1500 درجه سانتی گراد در هوا را نام برد. هم چنین بر خلاف فلزات که ضریب مقاومت حرارتی مثبت و کوچک دارند، سرامیک ها مقاومت ویژه بالاتر و ضریب مقاومت حرارتی منفی بالایی دارند. بنابراین به عنوان دما سنج و برای محدود گسترده ای از کاربردهای مرتبط با دما مورد استفاده قرار گرفتند. در ضمن در مراحل اولیه مشخص شد که مقاومت ویژه نمونه های متخلخل با ترکیبات مشخص، به شدت تحت تاثیر اتمسفر محیط به ویژه مقدار رطوبت و پتانسیل اکسیداسیون آن قرار می گیرد. بعدها این حساسیت کنترل شد و در آشکارسازهای مواد سمی یا قابل اشتعال مورد استفاده قرار گرفت.

هم چنین مشخص شد که مقاومت الکتریکی سرامیک های بر پایه کاربید سیلیسیم و اخیرا اکسید روی را می توان به میدان اعمالی حساس کرد. این امر باعث گسترش اجزایی شده است که نوسانات ناپایدار را از خطوط نیرو جذب می کنند و مانع از جرقه زدن بین اتصالات رله ها می شوند. اکنون رفتار غیر خطی این مقاومت ها را ناشی از وجود سدهای پتانسیل بین بلورها در سرامیک می دانند.

سرامیک های مورد استفاده به عنوان دی الکتریک برای خازن ها، دارای این عیب هستند که به راحتی نمی توان از آن ها ورقه های نازک تهیه کرد، و یا ورقه های ساخته شده از آن ها بسیار شکننده هستند. با وجود این میکا به طور گسترده در خازن ها مورد استفاده قرار گرفته است و قطعاتی با پایداری بسیار بالا از آن ساخته می شود. لوله های استاتیتی با دیواره نازک (0.1 تا 0.5 میلی متر) برای استفاده در واحدهایی که ظرفیت خازنی پایینی دارند، ساخته شده اند. ضریب گذر دهی  نسبی پایین استاتیت (εr≈6) کاربرد آن را محدود کرده است، اما ظهور تیتان با ضریب گذردهی بالا (εr≈100) در دهه 1930 باعث پیشرفت و گسترش خازن هایی در محدوده 1000pF با اندازه های مناسب، اما با ضریب دمایی منفی بالا شد. از آن زمان ضرایب گذردهی نسبی نزدیک به 30 با ضرایب دمایی پایین از ترکیبات تیتاناتی و زیرکناتی به دست آمده است.

در اواخر دهه 1940 با ظهور دی الکتریک های با ضرایب گذردهی بالا (εr≈2000-10000) که بر اساس تیتانات باریم ساخته شده بودند، این وضع تغییر کرد، به طوری که برای محدوده گسترده ای از کاربردها، ورقه های کوچک یا لوله هایی با ضخامت 0.2 تا 1 میلی متر ترکیب مفیدی از اندازه و ظرفیت الکتریکی را ارائه می دادند. توسعه ترانزیستورها و مدارهای مجتمع باعث شد تا نیاز به ظرفیت الکتریکی بالاتر و اندازه کوچک که به وسیله ساختارهای چند لایه یکپارچه ایجاد می شد، بیش تر احساس شود. در این موارد لایه های نازک پلیمری حاوی پودرهای سرامیکی ساخته می شود. الگوهایی از جوهر فلزی به عنوان الکترود نشانده می شود و لایه های مختلف بر روی هم انباشته و فشرده می شوند تا قطعات کاملا به یکدیگر چسبیده، درست شود.

پس از سوزاندن و خروج ماده آلی و سینتر، قطعات چند لایه مستحکم با دی الکتریک هایی با ضخامت کمتر از 5 میکرون به دست می آید. این قطعات عمل کنار گذر (bypass)، جفت کردن (coupling) و جدا کردن (decoupling) مدارهای مجتمع نیمه رسانا در مدار های نیمه رسانای لایه ضخیم را انجام می دهند.

این ساختار چند لایه یک پارچه را می توان برای ساخت هر دی الکتریک سرامیکی مورد استفاده قرار داد. تلاش برای توسعه ساختارهای چند لایه که کاربردهای گوناگونی دارند، ادامه دارد. به ویژه فن آوری سرامیک با پخت همزمان در دمای کم (low temperature co-fired ceramic) برای بسته بندی الکترونیکی به ویژه کامپیوترهای بزرگ و سیستم های ارتباطی به وفور مورد استفاده قرار می گیرد.

ضریب گذردهی بالای تیتانات باریم ناشی از خاصیت فروالکتریک آن است که در بسیاری از تیتانات ها، نیوبات ها و تنتالات های با ساختار بلوری مشابه، مشاهده می شود. یک ماده فروالکتریک دارای یک محور قطبی منحصربه فرد است که می تواند به وسیله میدان خارجی تغییر جهت یابد. اگر چه میزان جهت گیری محورهای قطبی بلورک ها در یک سرامیک به علت تصادفی بودن جهت بلورک ها محدود می شود، اما برای تبدیل یک نمونه چندبلور همسان گرد به یک نمونه قطبی کافی است. این قطبش منجر به رفتار پیزو الکتریک، پایروالکتریک و الکترواپتیک می شود که می توان از آن ها در سونار، تمیز کننده های فراصوتی (Ultrasonic Cleaner)، آشکار سازی فروسرخ و نورپردازها (Light Processors) استفاده کرد. مزیت سرامیک های چند بلور نسبت به تک بلورها، سهولت ساخت آن هاست. اکنون فرو الکتریک ها به شکل لایه های نازک در ساخت نوعی حافظه دیجیتال مورد استفاده قرار می گیرند.

تیتانات باریم را می توان با جانشینی های مناسب و یا سینتر در اتمسفر کاهنده رسانا کرد، که این باعث توسعه در دو زمینه شده است:

1- قطعات با ظرفیت الکتریکی بالا که به وسیله اکسایش مجدد لایه های سطحی صفحات رسانا ساخته می شوند و استفاده از لایه های عایق نازکی که بدین ترتیب ساخته می شوند.

2- مقاومت های دارای ضریب مقاومت حرارتی مثبت بزرگ، زیرا مقاومت قطعاتی که به خوبی دوپ (Doping) و پخته شده اند در یک محدوده دمایی کوچک نزدیک به دمای تبدیل از حالت فروالکتریک به پارا الکتریک، چند رقم افزایش می یابد.

از مقاومت های PTC در گرمکن های ترموستاتی، کنترل کننده های جریان، ابزارهای دگاوس در گیرنده های تلویزیونی و نشان گرهای سطح سوخت استفاده می شود. در مورد مقاومت های حساس به ولتاژ، باید ذکر شود که این پدیده از سدهای پتانسیل الکتریکی در مرز دانه های ناشی می شود. در نهایت سرامیک های ابر رسانا با دماهای انتقال بیش از دمای 100 کلوین کشف شده اند. این پدیده توسعه ابزارهایی با توان بالا در تولید نیروی مغناطیسی برای کاربردهای گوناگون از جمله سیستم های انتقال شناور مغناطیسی را امکان پذیر می سازد.

ظهور سرامیک های فرومغناطیس، فروالکتریک و رسانا به ساخت ترکیبات غالبا عاری از پلاستی سایزرهای طبیعی مانند رس ها نیاز داشته است. این ترکیبات به پلاستی سایزر های آلی نیاز دارند تا شکل پذیری آن ها قبل از سینتر امکان پذیر باشد. بر خلاف پرسلان های سیلیکاتی، متراکم شدن به حضور مقدار زیادی از فازهای گدازآور وابسته نیست، بلکه به مقدار کمی فاز مایع برای بهبود سینتر در حضور فاز مایع یا به سینتر نفوذی حالت جامد و یا ترکیب این مکانیزم ها بستگی دارد. اندازه بلور و مقادیر بسیار کم فازهای ثانویه که در مرز دانه ها وجود دارند ممکن است تاثیر زیادی بر خواص داشته باشد. از این رو کنترل دقیق مواد اولیه و شرایط آماده سازی ضروری است. این امر باعث انجام تحقیقات مهمی در راستای توسعه به اصطلاح روش های شیمیایی تر برای ساخت پودرهای اولیه شده است.

سرامیک ها از بلورک هایی تشکیل شده اند که ممکن است از نظر ساختار، بی نقص بودن، ترکیب و نیز اندازه، شکل و تنش های داخلی با یکدیگر تفاوت داشته باشند. به علاوه فصل مشترک بین بلورک ها مناطقی هستند که در آن ها تغییرات در جهات شبکه ای اتفاق می افتد که اغلب با تغییرات در ترکیب و تاثیرات الکتریکی وابسته به آن همراه است. در نتیجه توجیه رفتار سرامیک ها به طور دقیق، اگر غیر ممکن نباشد، بسیار دشوار است. مطالعه خواص تک بلور های الکتروسرامیک مهم، به درک رفتار سرامیک ها منجر شده است. با این وجود، رشد تک بلورها معمولا کاری دشوار و طولانی است و در ضمن، پیچیدگی ریزساختارهای سرامیکی، پیش بینی خواص آن ها را از تک بلورهای مشابه نامطمئن می کند. بنابراین، معمولا پیش از آن که یک درک جزئی از مکانیزم های فیزیکی اساسی وجود داشته باشد، مشاهدات تجربی منجر به ساخت ابزارهای جدید سرامیکی شده است.