Projekti / Programi
Mehanokemijska sinteza kompleksnih keramičnih oksidov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
mehanokemijska sinteza, piezoelektrična keramika, mehanizmi reakcij, nanodelci
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
24272 |
dr. Tadej Rojac |
Elektronske komponente in tehnologije |
Vodja |
2008 - 2010 |
596 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.706 |
Povzetek
V zadnjem času smo priča prodoru nekonvencionalnih materialov v elektroniko, zelo se uveljavljajo piezoelektriki, na primer kot debele plasti, integrirane v mikroelektromehanske sisteme (MEMS). Priprava plastnih struktur zahteva kvalitetne prahove.
Mehanokemijska sinteza omogoča pripravo kompleksnih keramičnih oksidov z mletjem pri nizkih temperaturah, s čimer se izognemo dolgotrajnim postopkom klasične sinteze v trdnem stanju, kjer je običajno potrebno večkratno segrevanje prahov, pri čemer kvaliteta prahu ni nujno zagotovljena.
Mehanizmi mehanokemijskih reakcij so zaradi njihove kompleksne narave trenutno še slabo poznani, zlasti v sistemih, kjer nastopa karbonat kot reaktant. Namen raziskovalnega dela je podroben študij mehanizmov reakcij v sistemih K2CO3-Nb2O5 in K2CO3-Na2CO3-Nb2O5 kot nadgradnja že doseženih rezultatov v sistemu Na2CO3-Nb2O5. Cilj je napredovati v razumevanju osnovnih zakonitosti sintezne metode.
Z mehanokemijsko sintezo je možno pripraviti končni produkt z delci nanometrske velikosti z večjo sinterabilnostjo. Takšni prahovi so zato zanimivi za debeloplastno tehnologijo. Do sedaj se še nihče ni lotil sistematičnega študija vpliva visokoenergijskega mletja na sinterabilnost mehanokemijsko sintetiziranih prahov. Drugi del raziskovalnega projekta bo zato namenjen študiju morfologije mletih prahov in njenemu vplivu na potek zgoščevanja in končno gostoto keramike. Namen raziskav je ovrednotiti problem aglomeracije delcev med mletjem, s ciljem, da bi pripravili gosto volumensko keramiko in debele plasti pri čim nižji temperaturi.
Rezultati raziskovalnega projekta bodo omogočili bistveni napredek, tako v osnovnem razumevanju procesa, kot tudi v razvoju sintezne metode, vse do priprave keramike in debelih plasti z boljšimi piezoelektričnimi lastnostmi.
Pomen za razvoj znanosti
Mehanokemijska sinteza je v zadnjem času postala obetavna sintezna metoda za pripravo vrsto kompleksnih keramičnih oksidov. Ena od ovir, ki omejuje uporabo te metode, je v prvi vrsti pomanjkljivo poznavanje osnovnih mehanizmov mehanokemijskih reakcij, o čemer pričajo skopi literaturni podatki, predvsem v sistemih, kjer nastopa karbonatna spojina kot ena od reaktantov.
Rezultati raziskav podoktorskega projekta dajejo povsem nove podatke o osnovnih mehanizmih in zakonitosti mehanokemijske sinteze in so zaradi tega izredno pomembni za znanost. Ključ do teh pomembnih znanstvenih spoznanj je bilo skrbno načrtovanje študije reakcij v fazi postavljanja raziskovalnega projekta, ki je poleg uporabe izbranih analiznih metod, temeljil predvsem na kvantitativnem pristopu. Študij je zajemal reakcije v več sistemih, kar je omogočilo posplošenje ugotovljenih rezultatov in s tem originalen prispevek k znanosti.
Primerjava poteka reakcij v sistemih Na2CO3–Nb2O5 in K2CO3–Nb2O5 je pokazala skupen mehanizem, ki ga zaznamuje nastanek karbonatne koordinacijske spojine. Stabilnost te spojine je precej večja v sistemu s kalijem. V tem sistemu nastanejo po daljšem času mletja (350 ur) in pri visoki energiji trka (300 mJ), ko koordinacijska spojina delno razpade, poleg ciljne spojine (KNbO3) še drugi kalijevi niobati z molskim razmerjem K/Nb < 1. Rezultati visokoenergijskega mletja že pripravljenih NaNbO3 in KNbO3 so pokazali, da je KNbO3 nestabilen pod vplivom viskoenergijskih trkov in delno razpade v druge niobatne faze, kar bi lahko razložilo težave povezane z mehanokemijsko sintezo KNbO3. Odkritje razpada in nestabilnosti KNbO3 med mletjem je z znanstvenega vidika pomembno, namreč odpira možnost razlage mehanokemijskih reakcij v drugih sistemih, pri katerih je značilno, da želen produkt ne nastane neposredno z mletjem.
Rezultati sistematičnega študija reakcij v sistemih Na2CO3–X2O5 (X = V, Nb, Ta) so privedli do povsem novih, znanstveno pomembnih odkritij v zvezi z mehanizmom mehanokemijske reakcije med karbonatom in oksidom, o katerih v literaturi ni podatkov. Prišli smo do splošnega mehanizma, ki združuje obravnavane reakcije, to je kislinsko-bazna interakcija med delci, ki poteče pod vplivom visokoenergijskih trkov. Tem večji je kislinsko-bazni potencial med Na2CO3 in oksidom prehodnega elementa (V2O5, Nb2O5, Ta2O5), tem hitreje teče reakcija od nastanka do razpada koordinacijske spojine in kristalizacije končnega produkta. Rezultati predstavljajo povsem nov prispevek k znanosti in splošnem razumevanju mehanokemijskih reakcij.
Eno od ključnih znanstvenih vprašanj, s katerim se v literaturi pomankljivo ukvarjajo, je izvor visoke homogenosti prahov pripravljenih z mehanokemijsko aktivacijo. V sklopu projekta smo problem pojasnili s študijem mehanokemijske aktivacije v sistemu K2CO3–Na2CO3–Li2C2O4– Nb2O5–Ta2O5, kjer je bil cilj pripraviti keramiko (K,Na,Li)(Nb,Ta)O3 (KNLNT). Pokazali smo, da v stopnji aktivacije nastane karbonatna koordinacijska spojina, v kateri se karbonatni ioni koordinirajo na centralna kationa Nb in Ta. Izvor visoke homogenosti aktivirane mešanice je ravno v nastanku te nove amorfne spojine, ki predstavlja ključ za pridobitev visoko homogene keramike. O tem priča nizka homogenost keramike KNLNT, ki smo jo pripravili z aktivacijo mešanice v »strižnem« mlevnem režimu, med katero nismo opazili nastanka koordinacijske spojine.
Pomen za razvoj Slovenije
V zadnjem času smo priča hitremu razvoju materialov za elektroniko, med katerimi spadajo tudi piezoelektriki, ki jih najdemo na primer integrirane kot debele plasti v mikroelektromehanskih sistemih (MEMS). Plastne strukture zahtevajo v prvi vrsti kvalitetne prahove. Ena od možnostih poti do nanoprahov je mehanokemijska sinteza, ki temelji na preprostem procesu suhega mletja in je zato kot taka zanimiva za industrijo.
V sklopu raziskovalnega projekta smo proučevali možnost uporabe mehanokemijsko obdelanih prahov v debeloplastni tehnologiji. Rezultati projekta kažejo na to, da je z mehanokemijsko aktivacijo možno pripraviti homogene in fine prahove brez vsebnosti nezaželenih sekundarnih faz in nizko koncentracijo nečistoč, ki izhajajo iz procesa mletja. Prahovi na osnovi alkalijskih niobatov (tantalatov), pripravljenih v okviru projekta, so zaradi omenjenih lastnosti zanimivi za debeloplastno tehnologijo.
Eden od ciljev projekta je bilo nadomestili materiale, kot je na primer Pb(Zr,Ti)O3, ki so zaradi visoke vsebnosti svinca ekološko oporečni. V okviru projekta smo uspeli uspešno sintetizirali homogene prahove s sestavami brez svinca. Debele plasti pripravljene iz teh prahov kažejo dober piezoelektrični odziv. Rezultati projekta so uporabni za podjetje »HYB proizvodnja hibridnih vezij, d.o.o.«, ki se ukvarja z razvojem, proizvodnjo in trženjem senzorjev tlaka in hibridnih debeloplastnih elektronskih mikro-vezij. Projekt je pripomogel k razvoju stroke v Sloveniji in s pridobljenim znanjem ustvaril podlago za uvajanje novih, okolju prijaznih materialov v elektroniko, v skladu z evropskimi smernicami.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
