محققان دانشگاه تربیت مدرس به کمک روشی ساده و کم هزینه، سرامیک‌های مایکرویو دی‌الکتریک با خواص دی‌الکتریک عالی و قابل استفاده در محیط‌هایی با دمای متغیر تولید نمودند. این سرامیک‌ها که در مرحله‌ی آزمایشگاهی است، با مواد اولیه‌ی ارزان و در دسترس ساخته شده و قابل کاربرد در صنایع مخابرات و ارتباطات خواهد بود.
دانشگاه تربیت مدرس: استفاده از فناوری نانو در ساخت سرامیک‌های مایکروویو دی‌الکتریک
سرامیک‌های مایکرویو دی‌الکتریک نقش کلیدی در ارتباطات بی‌سیم ایفا می‌کنند. یکی از کاربردهای اصلی این سرامیک‌ها در ساخت قطعات ذخیره‌سازی انرژی، نوسان‌گرها و فیلترها برای انتقال اطلاعات مورد نظر از طریق امواج مایکرویو در سیستم‌های ارتباطاتی، سیستم حمل ونقل هوشمند و ارتباطات ماهواره‌ای است. این مواد به دلیل کاهش اندازه و هزینه در تجهیزات نام‌برده، تحولی بزرگ ایجاد کرده است. یکی از مشکلات اساسی در کاربرد سرامیک‌های مایکرویو دی‌الکتریک این است که به طور هم‌زمان نمی‌توان ثابت نفوذپذیری و ضریب کیفیت بالا و همچنین ضریب دمایی فرکانس رزونانس نزدیک به صفر داشت.
به گفته‌ی مریم باری،کارشناس ارشد مهندسی مواد از دانشگاه تربیت مدرس تهران، تحقیقات فراوانی برای ارتقای خواص مایکرویو دی‌الکتریک سرامیک‌ها صورت گرفته است. در این مطالعه، سرامیکLi2ZnTi3O8 با استفاده از افزودنی ذرات دی‌اکسید تیتانیوم در دو محدوده اندازه‌ی نانو و میکرون ساخته شد تا تأثیر اندازه ذرات و درصد دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان افزودنی بر روی دانسیته، ریزساختار و خواص مایکرویو دی‌الکتریک این سرامیک بررسی شود.
وی در ادامه افزود: «ما تلاش نمودیم تا با افزایش دانسیته‌ی کامپوزیت TiO2 -Li2ZnTi3O8 با استفاده از نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم به روشی جهت رفع مشکل ذکر شده دست یابیم. در واقع استفاده از نانوذرات، دانسیته‌ی نمونه را افزایش و دمای تف جوشی(سینتر) را کاهش می‌دهد. خواص سرامیک مایکرویو دی‌الکتریک به شدت تحت تأثیر دانسیته است. با افزایش دانسیته، ضریب نفوذپذیری و کیفیت سرامیک ارتقا می‌یابد. متأسفانه، سرامیک LZT دارای مقدار ضریب دمایی فرکانس رزونانس منفی است که کاربردش را محدود می‌کند. بنابراین، این مقدار باید به صفر نزدیک شود، در حالی که مقادیر ضریب نفوذپذیری و فاکتور کیفیت تغییری نکند که افزودن ذرات دی‌اکسید تیتانیوم این مشکل را حل کرده است.»
در این گزارش آمده است که افزودن نانوذرات، به طور قابل ملاحظه‌ای دانسیته را بهبود داده و یک ریزساختار متراکم و یکنواخت را ایجاد می‌کند. به عبارتی، استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم تخلخل را کاهش داده و منجر به افزایش دانسیته‌ی خام شده است. این افزایش دانسیته منجر به ارتقای ثابت دی‌الکتریک و ضریب کیفیت می‌شود و از طرفی سرامیک پایدار حرارتی با ضریب دمایی فرکانس رزونانس نزدیک به صفر تولید می‌کند.
این نتایج در مقایسه با پژوهش‌های قبلی بسیار ارزنده و جدید است. به گفته‌ی این محقق، مطالعات گذشته نشان داده که با افزایش پودر دی‌اکسید تیتانیوم به سرامیکLZT، مقدار به سمت صفر می‌رود که گزینه‌ی مطلوبی است. با این حال ضریب کیفیت این کامپوزیت به طور چشمگیری کاهش می‌یافت. درنتیجه، به دلیل ضریب کیفیت پایین‌تر این کامپوزیت‌ها در مقایسه با سرامیکLZT، عملکرد محصول نهایی افت می‌کرد. اما، تأثیر اندازه ذرات دی‌اکسید تیتانیوم، مخصوصا با ابعاد نانوذره، هنوز بررسی نشده بود.
این محققان برای بررسی این موضوع، سرامیک‌های مایکرویو دی الکتریک با ترکیب ۴ درصد وزنی از پودر دی‌اکسد تیتانیوم به روش واکنش حالت جامد متداول سنتز شده نموده‌اند. برای این منظور، پودر دی‌اکسید تیتانیوم با اندازه ذرات مختلف (نانوذرات ۵۰ نانومتری و پودر با اندازه میکرون) به سرامیک LZT اضافه نموده و تأثیر اندازه ذرات به عنوان افزودنی بر روی دانسیته، ریزساختار و خواص مایکرویو دی‌الکتریک این سرامیک را بررسی کرده‌اند.
این تحقیقات که نتایج آن در مجله‌ی Journal of The American Ceramic Society ( جلد ۹۶، شماره ۱۲، سال ۲۰۱۴، صفحات ۳۷۳۷ تا ۳۷۴۱) منتشر شده، حاصل همکاری مریم باری، دکتر احسان طاهری نساج- عضو هیأت علمی دانشگاه تربیت مدرس تهران و حمید تقی پور ارمکی- کارشناس ارشد مهندسی مواد است.
به گفته‌ی مریم باری،کارشناس ارشد مهندسی مواد از دانشگاه تربیت مدرس تهران، تحقیقات فراوانی برای ارتقای خواص مایکرویو دی‌الکتریک سرامیک‌ها صورت گرفته است. در این مطالعه، سرامیکLi2ZnTi3O8 با استفاده از افزودنی ذرات دی‌اکسید تیتانیوم در دو محدوده اندازه‌ی نانو و میکرون ساخته شد تا تأثیر اندازه ذرات و درصد دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان افزودنی بر روی دانسیته، ریزساختار و خواص مایکرویو دی‌الکتریک این سرامیک بررسی شود.
وی در ادامه افزود: «ما تلاش نمودیم تا با افزایش دانسیته‌ی کامپوزیت TiO2 -Li2ZnTi3O8 با استفاده از نانو ذرات دی‌اکسید تیتانیوم به روشی جهت رفع مشکل ذکر شده دست یابیم. در واقع استفاده از نانوذرات، دانسیته‌ی نمونه را افزایش و دمای تف جوشی(سینتر) را کاهش می‌دهد. خواص سرامیک مایکرویو دی‌الکتریک به شدت تحت تأثیر دانسیته است. با افزایش دانسیته، ضریب نفوذپذیری و کیفیت سرامیک ارتقا می‌یابد. متأسفانه، سرامیک LZT دارای مقدار ضریب دمایی فرکانس رزونانس منفی است که کاربردش را محدود می‌کند. بنابراین، این مقدار باید به صفر نزدیک شود، در حالی که مقادیر ضریب نفوذپذیری و فاکتور کیفیت تغییری نکند که افزودن ذرات دی‌اکسید تیتانیوم این مشکل را حل کرده است.»
در این گزارش آمده است که افزودن نانوذرات، به طور قابل ملاحظه‌ای دانسیته را بهبود داده و یک ریزساختار متراکم و یکنواخت را ایجاد می‌کند. به عبارتی، استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم تخلخل را کاهش داده و منجر به افزایش دانسیته‌ی خام شده است. این افزایش دانسیته منجر به ارتقای ثابت دی‌الکتریک و ضریب کیفیت می‌شود و از طرفی سرامیک پایدار حرارتی با ضریب دمایی فرکانس رزونانس نزدیک به صفر تولید می‌کند.
این نتایج در مقایسه با پژوهش‌های قبلی بسیار ارزنده و جدید است. به گفته‌ی این محقق، مطالعات گذشته نشان داده که با افزایش پودر دی‌اکسید تیتانیوم به سرامیکLZT، مقدار به سمت صفر می‌رود که گزینه‌ی مطلوبی است. با این حال ضریب کیفیت این کامپوزیت به طور چشمگیری کاهش می‌یافت. درنتیجه، به دلیل ضریب کیفیت پایین‌تر این کامپوزیت‌ها در مقایسه با سرامیکLZT، عملکرد محصول نهایی افت می‌کرد. اما، تأثیر اندازه ذرات دی‌اکسید تیتانیوم، مخصوصا با ابعاد نانوذره، هنوز بررسی نشده بود.
این محققان برای بررسی این موضوع، سرامیک‌های مایکرویو دی الکتریک با ترکیب ۴ درصد وزنی از پودر دی‌اکسد تیتانیوم به روش واکنش حالت جامد متداول سنتز شده نموده‌اند. برای این منظور، پودر دی‌اکسید تیتانیوم با اندازه ذرات مختلف (نانوذرات ۵۰ نانومتری و پودر با اندازه میکرون) به سرامیک LZT اضافه نموده و تأثیر اندازه ذرات به عنوان افزودنی بر روی دانسیته، ریزساختار و خواص مایکرویو دی‌الکتریک این سرامیک را بررسی کرده‌اند.
این تحقیقات که نتایج آن در مجله‌ی Journal of The American Ceramic Society ( جلد ۹۶، شماره ۱۲، سال ۲۰۱۴، صفحات ۳۷۳۷ تا ۳۷۴۱) منتشر شده، حاصل همکاری مریم باری، دکتر احسان طاهری نساج- عضو هیأت علمی دانشگاه تربیت مدرس تهران و حمید تقی پور ارمکی- کارشناس ارشد مهندسی مواد است.
