​نیوبات پتاسیم سدیم: تفاوت میان نسخه‌ها

نیوبات پتاسیم سدیم ،سدیم، یک عضو نسبتاً جدید در خانواده [[پیزوسرامیک]]، دارای خواص [[پیزوالکتریک]] تقریباً مشابه PZT، اما بدون [[سرب]] به عنوان ماده سازنده، است. سرامیک هایسرامیک‌های پیزوالکتریک بدون سرب سازگار با محیط زیست در دهه گذشته بهبه‌طور طور گسترده ایگسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفته اند،گرفته‌اند، بخصوص در سیستم هایسیستم‌های مبتنی بر یک ترکیب [[پروسکایت]] نیوبات که به صورت K,Na)NbO3) به اختصار (KNN) فرموله شده است،شده‌است، البته این ماده با نام هاینام‌های NKN یا KNN نیز شناخته می شودمی‌شود. برای دهه هادهه‌ها است که سرامیک [[تیتانات زیرکونات سرب]] (PZT) به دلیل خواص عالی و انعطاف پذیریانعطاف‌پذیری آن از نظر تغییرات ترکیبی ،ترکیبی، بر بازار تسلط یافته استیافته‌است. با این حال ،حال، مقدار زیادی سرب موجود در مواد PZT در دهه گذشته به دلیل نگرانینگرانی‌های های زیست محیطیزیست‌محیطی و همچنین مقررات دولتی در برابر مواد خطرناک ،خطرناک، توجه بسیاری را به خود جلب کرده استکرده‌است. در میان تمام مواد بدون سرب ،سرب، از زمانی که سایتو و همکاران موفقیتی در سرامیک هایسرامیک‌های KNN بهبود یافته با Sb،Sb, Li و Ta در سال 2004۲۰۰۴ بدست آوردندآوردند، ، سرامیک هایسرامیک‌های نیوبات [[قلیا|قلیایی]] بر اساس KNN توجه زیادی را به خود جلب کرده اندکرده‌اند. اگرچه به طوربه‌طور معمول سرامیک هایسرامیک‌های خالص KNN دارای ثابت پیزوالکتریک d₃₃ متوسط  در حدود pC/N 80  هستند ،هستند، اما مقدار گزارش شده توسط سایتو و همکاران به طرز حیرت انگیزیحیرت‌انگیزی تا  pC/N 416  رسید. از طرف دیگر ،دیگر، ویژگی قابل توجه سرامیک KNN در سازگاری ذاتی با الکترود نیکل نهفته است ،نهفته‌است، که در مورد PZT وجود ندارد. با این حال ،حال، مواد جدید به احتمال زیاد در کاربرد موفق نخواهند شد ،شد، مگر اینکه مزایای بسیار بیشتری نسبت به نمونه هاینمونه‌های معمولی خود ارائه دهد. از نظر فنیفنی، ، پیزوسرامیک هایپیزوسرامیک‌های بدون سرب ،سرب، از جمله مواد مبتنی بر KNN ،KNN، قادر به رقابت در خانواده هایخانواده‌های موجود PZT در برخی از برنامه هابرنامه‌ها هستند. با این حال ،حال، برای آنها سخت است که با سود قابل توجهی از PZT پیشی بگیرند.<ref>Jing-Feng Li, Ke Wang, Fang-Yuan Zhu, Li-Qian Cheng, and Fang-Zhou Yao, " (K, Na)NbO3-Based Lead-Free Piezoceramics: Fundamental Aspects, Processing Technologies, and Remaining Challenges", State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering,Tsinghua University, 100084 Beijing, China</ref><ref>Suresh Bhalla, Sumedha Moharana, Visalakshi Talakokula and Naveet Kaur, "Piezoelectric Materials: Applications in SHM, Energy Harvesting and Bio-mechanics", First Edition, © Authors, 2017. Published by Athena Academic Ltd and John Wiley & Sons Ltd.</ref>

== مقدمه ==

مواد پیزوالکتریک انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کندمی‌کند و بالعکس. در بسیاری از زمینه هایزمینه‌های مهم مانند وسایل نقلیه موتوری ،موتوری، تجهیزات پزشکی ،پزشکی، نظامی و هوافضا مورد استفاده قرار گرفته اندگرفته‌اند. پیزوسرامیک هایپیزوسرامیک‌های با کارایی بالا از مهمترین و پرکاربردترین مواد پیزوالکتریک هستند و به همین دلیل تحقیق در مورد این موضوع در راس مطالب پیشرفته با فناوری پیشرفته است. از دهه 1950۱۹۵۰ میلادیمیلادی، ، سرامیک هایسرامیک‌های مبتنی بر PZT به دلیل [[ثابت پیزوالکتریک|ثابت هایثابت‌های پیزوالکتریک]] عالی (d₃₃ ≈ 200-750 pC/N) و [[دمای کوری]] بالا (T_C = 180−320۱۸۰−۳۲۰ درجه سانتیگراد) بسیار مورد توجه قرار گرفته اندگرفته‌اند و در حال حاضر در بسیاری از دستگاه هایدستگاه‌های الکترونیکی (به عنوان مثال ،مثال، [[حسگر|سنسور]]<nowiki/>هاها، ، محرک ها ،محرک‌ها، [[مبدل]] های‌های [[اولتراسونیک]] و غیره) استفاده می شودمی‌شود. اخیراً ،اخیراً، تولید پیزوالکتریک بدون سرب به دلیل نگرانینگرانی‌های های زیست محیطیزیست‌محیطی توجه زیادی را در هر دو زمینه علمی و صنعتی جلب کرده استکرده‌است. محتوای سرب (∼60∼۶۰ درصد وزنی) PZT باعث ایجاد نگرانینگرانی‌های های زیست محیطیزیست‌محیطی در طول آماده سازی ،آماده‌سازی، فرایند و حتی دفع آنها می شودمی‌شود. برای حفظ سلامت محیط زیست، کشورها تلاش زیادی برای تحقیق و توسعه (تحقیق و توسعه) مواد پیزوالکتریک بدون سرب کرده اند،کرده‌اند، و علاوه بر این، قوانین و مقررات اعمال یا بهبود یافته اندیافته‌اند. در میان نامزدهای بدون سرب، K,Na)NbO3) یا به اختصار KNN به دلیل داشتن d₃₃ و T_C زیاد ،زیاد، به یکی از سیستمهای پیزوالکتریک با بیشترین تحقیق در 10۱۰ سال گذشته تبدیل شده استشده‌است. اخیراً ،اخیراً، تعدادی از کشورها سرمایه انسانی و منابع مالی قابل توجهی را برای مطالعه پیزوسرامیک هایپیزوسرامیک‌های مبتنی بر KNN سرمایه گذاری کردهسرمایه‌گذاری اندکرده‌اند و موفقیت هایموفقیت‌های چشمگیری نیز حاصل شده استشده‌است.<ref> Y. zhang and J. Li,J, "Review of Chemical Modification on Potassium Sodium Niobate Lead-free Piezoelectrics" , Mater. Chem. C, 2019, DOI: 10.1039/C9TC00476A</ref><ref>D.Xiao and J.Zhu, " Potassium−Sodium Niobate Lead-Free Piezoelectric Materials: Past,Present, and Future of Phase Boundaries" , Department of Materials Science, Sichuan University, Chengdu 610064, China</ref>'''

هر ماده ای با ساختار کریستالی مشابه اکسید تیتانیوم کلسیم (CaTiO₃) به ساختار پروسکایتی معروف است. پروسکایتها نام خود را از این ماده معدنی می گیرند ،می‌گیرند، که برای اولین بار در کوهستان هایکوهستان‌های اورال روسیه توسط گوستاو رز در سال 1839۱۸۳۹ کشف شد و نام آن به افتخار زمین شناسزمین‌شناس روسی، الکسویچ پروسکی (Alekseevich Perovski) نامگذاری شده استشده‌است. فرمول شیمیایی کلی برای ترکیبات پروسکایت ABX₃ است ، است، 'A' و 'B دو کاتیون با اندازه هایاندازه‌های بسیار متفاوت هستند و X آنیونی است که به هر دو پیوند می دهدمی‌دهد. اتمهای "A" بزرگتر از اتمهای "B" هستند. ساختار مکعب ایده‌آل دارای کاتیون B با عدد همسایگی 6۶ است که توسط هشت وجهی آنیون هاآنیون‌ها احاطه شده است ،شده‌است، و کاتیون A دارای عدد همسایگی 12۱۲ است.<ref> Wenk, Hans-Rudolf; Bulakh, Andrei, "Minerals: Their Constitution and Origin", New York, NY: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-52958-7.</ref>

ترکیبات طبیعی با این ساختار عبارتند از: پروسکایت ، لوپاریتپروسکایت، ،لوپاریت، و سیلیکات پروسکایتی bridgmanite. ساختار پروسکایت یکی از ساختار هایساختارهای سه تایی مواد با فرمول عمومی ABO₃ است. ساختاری که مدتی است کشف شده، اما ویژگی هایویژگی‌های جالب توجهی دارد که پژوهشگران همچنان در پی بهبود و یافتن کاربرد هاییکاربردهایی در راستای این ویژگی هاویژگی‌ها هستند.<ref> Murakami, M. Ohishi, Y. Hirao, N. & Hirose K, "A perovskitic lower mantle inferred from high-pressure, high-temperature sound velocity data", Nature 485(7396), 90–94. doi:10.1038/nature11004</ref>

یکی از پرکاربرد ترینپرکاربردترین مواد دارای ساختار پروسکایت BaTiO3 است . ویژگی خاص این ماده داشتن خاصیت فروالکتریک و ثابت دی لکتریک بالاست، که باعث شده این ماده در حوزه ذخیره انرژی کاربرد داشته باشد.<ref> R.J.D.Tilley, "Crystals and Crystal Structures", John Wiley & Sons Ltd, 2006, p170. ISBN 978-0-470-01820-0</ref>. نیوبات پتاسیم سدیم نیز دارای ساختار پروسکایتب است و خواص پیزوالکتریسیته آن ناشی از همین ساختار است.

پیزوالکتریسیته  بار الکتریکی است که در برخی مواد جامد (مانند بلورهابلورها، ، سرامیک هایسرامیک‌های خاص و مواد بیولوژیکی مانند استخوان ،استخوان، دی ان ای و پروتئین هایپروتئین‌های مختلف) در پاسخ به فشار مکانیکی اعمالی ،اعمالی، ایجاد  می شودمی‌شود. کلمه پیزوالکتریک به معنای برق ناشی از فشار و گرمای نهان است. از کلمه یونانی πιέφραν، piezein مشتق شده است،شده‌است، که به معنی فشار یا فشار دادن است و ἤlekτρον ēlektron که به معنی کهربا ،کهربا، منبع باستانی بار الکتریکی است. فیزیکدانان فرانسوی ژاک و پیر کوری در سال 1880۱۸۸۰ پیزوالکتریک را کشف کردند. برخی از مواد بلوری  بارهای الکتریکی را تحت فشار مکانیکی ایجاد می کنندمی‌کنند و برعکس در صورت وجود میدان الکتریکی فشار مکانیکی را تجربه می کنندمی‌کنند.<ref> F.Ebrahimi, "Piezoelectric Materials and Devices- Practice and Applications", 2013, p. cm. ISBN 978-953-51-1045-3</ref>.

در سال 1881 ،۱۸۸۱، لیپمن اثر پیزوالکتریک معکوس را از نظر ریاضی استنباط کرد. برادران کوری بلافاصله وجود اثر پیزوالکتریک معکوس را تأیید کردند.<ref> S. J. Rupitsch, "Piezoelectric Sensors and Actuators Fundamentals and Applications", Lehrstuhl für Sensorik Friedrich-Alexander-Universität,Erlangen-Nürnberg,Erlangen,Germany</ref>. تولید بار الکتریکی در نتیجه نیرویی است که بر روی مواد اعمال می شودمی‌شود. قبل از قرار دادن ماده در معرض فشار خارجی ،خارجی، مراکز بارهای منفی و مثبت هر مولکول با یکدیگر منطبق می‌شوند - که منجر به یک مولکول خنثی برقی می شودمی‌شود. با این وجود، در صورت وجود فشار مکانیکی خارجی، شبکه‌یشبکهٔ داخلی تغییر شکل می‌دهد، بنابراین باعث جداسازی مراکز مثبت و منفی مولکول و ایجاد دوقطبی کوچک می شودمی‌شود. در نتیجه قطبهای متضاد روبروی هم در داخل مواد یکدیگر را خنثی می کنندمی‌کنند و بارهای باقیمانده روی سطح ظاهر می شودمی‌شود یعنی ماده قطبی شده استشده‌است. این قطبی سازی یک میدان الکتریکی را ایجاد می کندمی‌کند که می تواندمی‌تواند برای تبدیل انرژی مکانیکی مورد استفاده در تغییر شکل مواد به انرژی الکتریکی استفاده شود.<ref>R.S. Dahiya, M. Valle, "Robotic Tactile Sensing", DOI 10.1007/978-94-007-0579-1, © Springer Science&Business, Media Dordrecht 2013</ref>.

هنگامی که مواد پیزوالکتریک در معرض فشار خارجی قرار بگیرندبگیرند، ،دوقطبی‌های دوقطبی های  الکتریکی موجود در بلور به گونه ای جهت گیری میجهت‌گیری کنندمی‌کنند که بلور بارهای مثبت و منفی را در جهات مخالف ایجاد می کندمی‌کند و در نتیجه یک میدان الکتریکی در سراسر بلور ایجاد می شودمی‌شود. ژاک و پیر کوری برای اولین بار این اثر را در سال 1880۱۸۸۰ در کریستال کوارتز مشاهده کردند و این را پیزو الکتریک نامیدند. "«پیزو"» به معنی فشار. این اثر را اثر پیزوالکتریک مستقیم می نامندمی‌نامند.

هنگامی که این مواد در معرض میدان الکتریکی خارجی قرار بگیرند ،بگیرند، جابجایی نامتقارن آنیون هاآنیون‌ها و کاتیون هاکاتیون‌ها ایجاد می شودمی‌شود که باعث تغییر شکل قابل توجه شبکه کریستال می شوندمی‌شوند. فشار در ماده پیزوالکتریک بسته به قطبی بودن میدان اعمالی ،اعمالی، کششی  یا فشاری است. این اثر را اثر پیزوالکتریک غیر مستقیم می نامندمی‌نامند. این دقیقاً برعکس اثر پیزو الکتریک غیرمستقیم فوق است.<ref>M.S.Vijay, " Piezoelectric Materials and Devices Applications in Engineering and Medical Sciences", 2013, Taylor & Francis Group,6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300,Boca Raton, FL 33487-2742</ref>

سرامیک هایسرامیک‌های پیزوالکتریک از مواد تشکیل دهنده به صورت پودر یا گرانول ریز تهیه می شوند می‌شوند. سرامیک‌های پیزوالکتریک ترد و مستعد شکستگی هستند: مقاومت نهایی کمتر از 100 [MPa/] است ،است، در حالی که چقرمگی شکستگ  بین 5۵/0۰ تا 2 [MPa] است. علاوه بر این ،این، به دلیل سرامیک بودن ،بودن، این مواد بسیار ناهمگن هستند و باعث ایجاد ترک و حفره در فرایند تولید یا در حین کار آنها می شوندمی‌شوند. هنگامی که این اتفاق می افتد ،می‌افتد، غلظت میدان هایمیدان‌های الکتریکی و تنش زیاد در اطراف عیب ظاهر می شود ،می‌شود، و نمی‌تواند عملکردی را که برای آن طراحی شده انجام دهد.<ref> Ernesto Suaste Gomez , "Piezoelectric Ceramics", Published by Sciyo Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, Copyright © 2010 Sciyo</ref>. دو امکان چگونگی ایجاد ناهمسانگردی در پلی کریستال ساخته شده از دانه هادانه‌ها وجود دارد، 1۱) اندازه و شکل دانه 2۲) تراز لحظه ای دو قطبی که برای پیزوالکتریک مورد نیاز است.<ref>J. Erhart et al, "Piezoelectric Ceramic Resonators", Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering, © Springer International Publishing Switzerland 2017 DOI 10.1007/978-3-319-42481-1_2</ref>.

خانواده سرامیک‌های دارای ساختارهای پروسکایت یا تنگستن- برنز، خواص پیزوالکتریک از خود نشان می‌دهند. سیستم هایسیستم‌های بدون سرب را می توانمی‌توان در چهار گروه مانند بیسموت لایه‌ای (Bi-layer) بیسموت پروسکیتی (Bi-perovskite) ، تنگستن-برنز و نیوبات هاینیوبات‌های قلیایی (NKN) گروه بندیگروه‌بندی کرد.<ref>Gurdal, Erkan A. ; Ural, Seyit O. ; Park, Hwi-Yeol; Nahm, Sahn; Uchino, Kenji, "High Power (Na0.5K0.5)NbO3-Based Lead-Free Piezoelectric Transformer", 2011, Japanese Journal of Applied Physics. 50 (2): 027101. Bibcode:2011JaJAP..50b7101G. doi:10.1143/JJAP.50.027101. ISSN 0021-4922</ref>.

مواد سرامیکی پیزوالکتریک پلی کریستالی هستند که از دانه هایدانه‌های ریز ساخته شده‌اند (معمولاً 1-10۱–۱۰ میکرومتر) ، که از نظر ماکروسکوپی یکسان هستند. منشاءمنشأ دانهدانه‌ها، هاشکل‌های ، شکل های آنها ،آنها، توزیع اندازه و چیدمان آنها در بافت برای خواص ماده ماکروسکوپی حاصل بسیار مهم است. مواد پیزوسرامیک دارای خواص فروالکتریک هستند. سرامیکها با دانه هایدانه‌های تصادفی جهت‌دار باید فروالکتریک باشند تا خاصیت پیزوالکتریک از خود نشان دهند .<ref>B. Jaffe, W. R. Cook Jr. and H. Jaffe, "Piezoelectric Ceramics", Academic Press, London and New York, 1971.</ref>. خانواده هایخانواده‌های سرامیک با ساختارهای پروسکایتی و ساختارهای مرتبط ،مرتبط، دارای اثر پیزوالکتریسیته هستند.

سرامیک هایسرامیک‌های فروالکتریک عاری از سربی که تاکنون مورد بررسی قرار گرفته اندگرفته‌اند را می توانمی‌توان به سه گروه کلی دسته بندیدسته‌بندی نمود:

۲ فروالکتریک هاییفروالکتریک‌هایی بر پایه ترکیبات لایه هایلایه‌های بیسموت  BLSF

۳ فروالکتریک هاییفروالکتریک‌هایی با ساختار تنگستن-برنز

در میان این سه گروهگروه، ، فروالکتریک هایفروالکتریک‌های با ساختار پروسکایت به علت خواص عالی که دارند بیشتر مورد توجه اند. BLSF  ها به علت حضور لایه‌های بیسموت ،بیسموت، ناهمسانگردی شدیدی در  خواص داشته و فرو الکتریک هاییالکتریک‌هایی که ساختار تنگستن-برنز دارند عموماً خواص پیزوالکتریسیته ضعیف تری نسبت به دو گروه اول دارند.

سالهاست که PZT و ترکیبات [[فروالکتریسیته|فروالکتریک]] پایه سربی به علت دارا بودن خواص فوق العادهفوق‌العاده به عنوان مهم‌ترین مواد پیزوالکتریک شناخته شده و کاربردهای فراوان و متنوعی در صنایع مختلف یافته‌اند. دلیل این پیشرفت سریع را می‌تواند نیاز شدید صنایع مربوطه به موادی با خواص دی‌الکتریک ،دی‌الکتریک، پیزوالکتریک و ضرایب کوپلینگ الکترومکانیکی بالا دانست. از سال ۱۹۵۴ که خاصیت پیزوالکتریسیته در PZT کشف شد تا کنون تلاشهای بیشماری برای بهبود خواص آن صورت گرفته استگرفته‌است است.

از طرف دیگر،  سرب و ترکیبات آن به عنوان مواد سمی و درنتیجه خطرناک شناخته می شوندمی‌شوند زیرا علاوه بر آلودگی مستقیم ناشی از مواد زائدی که در فرایند تولیدشان ایجاد می‌شود ،می‌شود، محصولاتی که شامل مبدل هایمبدل‌های پایه PZT باشند نیز غیر قابلغیرقابل بازیافت هستند. به علاوه سمی بودن [[اکسید سرب]] و فشار بخار بالای آن در طول فرایند تولید نیز سبب شده استشده‌است تا تقاضا برای محصولات جایگزین رو به افزایش باشد.

=== نیوبات پتاسیم-سدیم (KNN) ===

از مهمترین ترکیبات پیزوالکتریک عاری از سربی که اخیراً نیز تحقیقات فراوانی بر روی سرامیک آن آغاز شده است ،شده‌است، ترکیبات خانواده نایوبات هاینایوبات‌های قلیایی و به طوربه‌طور مشخص نایوبات پتاسیم سدیم است. ترکیبات KNbO₃ و NaNbO₃  به ترتیب دارای ساختاری فروالکتریک و آنتی فروالکتریک و دمای کوری ۴۳۵ و ۳۵۵ درجه سانتیگراد هستند. محلول جامد [KNbO₃-NaNbO₃ [KNN  از جهات زیادی به PZT شبیه است،  همانند PZT   از ترکیب دو فاز فروالکتریک و آنتی فروالکتریک تشکیل شده و در درصد هایدرصدهای مولی برابری از NaNO₃ و KNbO₃   دارای [[مرز فازی مورفوتروپیک]] (MPB) است. تک بلور KNN برای اولین بار در سال ۱۹۵۸ و سرامیک آن یک سال بعد ساخته شد و خواص پیزوالکتریک آنها مورد بررسی قرار گرفت.  دانسیته تئوری KNN خالص دوپ  نشده برابر ۴.۵۱۴٫۵۱ گرم بر سانتی مترسانتی‌متر مکعب می باشدمی‌باشد.

رسیدن به دانسیته هایدانسیته‌های بالا در فرایند ساخت سرامیک نایوبات پتاسیم سدیم دوپ نشده به چند دلیل دشوار است. اول اینکه پایداری فاز [[نایوبات پتاسیم]] به  ۱۰۴۰ درجه سانتیگراد و نایوبات پتاسیم سدیم  به   ۱۱۴۰ درجه سانتیگراد محدود می‌شود و در نتیجه  [[تف‌جوشی|زینتر]] در دمای بالا امکان پذیرامکان‌پذیر نیست. مسئله دوم ،دوم، تبخیر اکسید هایاکسیدهای قلیایی تشکیل دهنده این مواد در دمای بالا است که منجر به تغییر استوکیومتری ترکیب می شودمی‌شود. تغییرات اندک در استوکیومتری چه در منطقه غنی از  نایوبیوم و چه در منطقه غنی از پتاسیم ،پتاسیم، سبب تشکیل فازهای اضافه می‌گردد که برخی از آنها شدیداً نم پذیر بوده و در صورتی که نمونه در معرض رطوبت قرار گیرد ،گیرد، منجر به تجزیه و از هم پاشیدگی  آن خواهد شد. دمای  زینتر KNN خالص در محدوده ۱۰۹۰ تا  ۱۱۲۰ درجه سانتیگراد می باشدمی‌باشد.<ref>فیض پور، مهدی و حیاتی، رقیه و برزگر، عبدالغفار و پایدار، محمدحسین و هاشمی، بابک و عبادزاده، تورج و بهرهور، محمدعلی، 1389، سنتز پودر و زینتر سرامیک پیزوالکتریک عاری از سرب نایوبات پتاسیم- سدیم، مجله مواد مهندسی، جلد2، شماره2</ref>

|+خواص الکتریکی برخی پیزوسرامیک هایپیزوسرامیک‌های عاری از سرب و مقایسه آنها با PZT

|0۰

|25۲۵~

<references responsive="" />