مواد به كار 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 ۲۰۰۶) مي باشد.

۱ – ۱-تيتانيوم تترا ايزوپروكسايد :
اين تركيب با فرمول شيميايي شفاف، با ويسكوزيته ۲٫۱۱cp، وزن مولكولي ۲۸۴٫۲۵ g/h و چگالي بين ۰٫۹۶۵ تا ۰٫۹۶۷ kg/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.

۱-۲ زيركونيوم ان پروپوكسايد
اين تركيب با فرمول شيميايي با ويسكوزيته بالا، چگالي ۱۰۴۴kg/lit و جرم اتمي نسبي ۳۲۷٫۵۷۲۹ g\mol با درصد وزني ۷۰% در ران پروپانول 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.

۱ – ۳ – اسيتل استون
حلالي بسيار مفيد و پركاربرد با فرمول شيميايي مي باشد. نام خلاصه آن acach مي باشد و شركت Aldrich با خلوص ۹۹+% 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 نيز از حلالهايي است كه در اين فرآيند مورد استفاده قرار مي گيرد.

۱-۴- استات ؟؟؟ آبر

اين تركيب بصورت پودري سفيد رنگ با فرمول شيميايي با خلوص ۹۸۹+% و محصول شركت Merck مي باشد، و جزو مواد اصلي در ساخت ژل PZT است.

۱-۵ – تريز هيدروكسي متيل اتان
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 معروف است. مزين آن نسبت به روش ديول (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 ۹۹% از شركت Merck تهيه شد.

۱-۶- متوكسي اتانول
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 ۹۹٫۵% 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.

۲ – 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 ۰٫۰۰۱ g و توزين مايعات توسط سرنگ پلاستيكي با حجم هاي ۲۵٫ml , 25ml و و هر يك با دقتهاي انجام پذيرفت.

۳ – ساخت سل – ژل
۱-۳- مخلوط كردن
مقدار ۱۴٫۸۸gr استيل استون مي افزاييم و اجاره مي دهيم بمدت ۲ 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. [۲۰] .

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 ۲ ساعت از آغاز واكنش، دما را تا پايين آورده و ساير مواد را شامل ۲۶٫۱۷gr استات سدب سرابه كه ۱۴٫۵۶gr و تريز هيدروكسي متيل اتان و ۱۳٫۷gr تيتانيوم پروپوكسايد (۷۵ درصد وزني محلول در اسيكل استون) به محلول طلايي رنگ اوليه مي افزاييم.

۲-۳ – 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 ۰٫۷۵ مولار MOE,0.75M رقيق نموديم و به ظرفي مناسب جهت خشك كردن منتقل كرديم.

۳ – ۳ – 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 ۲۴h (24 ساعت) در خشك كن، خشك شد. از آنجا كه ما هيچ تصوير و پيش زمينه اي از ژل خشك شده نداشتيم، آنرا ۱۶ 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.

۱-۴- 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.