कार्यात्मक सामग्री
- पिज़ो सिरेमिक
इस शताब्दी की शुरुआत से एमएसडी में पिज़ो सिरेमिक्स पर अ-वि शुरू किया गया था, इसके समर्थन करने केलिए सीएसआईआर पांच साल की योजना और स्मार्ट सामग्री ( एनपीएसएम ) पर राष्ट्रीय कार्यक्रम के लिए धन्यवाद । कार्यक्रम पीजेडटी और पीएमएन पाउडर के संश्लेषण, बहु-स्तरित स्टॉक का निर्माण पर शुरू किया गया था । इसके बाद, संश्लेषित लेड फ्री पदार्थ बीएनटी, बीजेडटी, बीजेडटी – बीसीटी आदि में अनुसंधान एवं विकास का काम । हाल ही में, पीजो सामग्री और उच्च तापमान पीजो-रेसिस्टिव सामग्री के संश्लेषण का उपयोग कर ऊर्जा की कटाई की जाती है।
पिज़ो इलेक्ट्रिक और डाइ इलेक्ट्रिक सामग्री का विकास
उच्च पिज़ोइलेक्ट्रिक चार्ज निरंतर (डी 33> 550 पीसी / एन) के साथ सॉफ्ट ग्रेड पी जेड टी पाउडर (पीजेडटी -5 एच) बैच से बैच के पुनरुत्पादित गुणों के साथ तैयार किया गया था। इसी तरह, पाइरोक्लॉर मुक्त लेड मैग्निशियम नियोबेट (पीएमएन) उच्च डाइ इलेक्ट्रिक पाउडर (K = 10,335 100 हर्ट्ज, आरटी पर) और (K = 79,100 4.18 पर मेगाहर्ट्ज) तैयार किया गया था। ये पाउडर प्रयोगशाला पैमाने (150gm) में तैयार किए गए और उसके बाद 10 किलो / बैच के लिए अपस्केल किया गया। ला, एनडी , एनबी , सी इत्यादि जैसे विभिन्न डोपेंट्स के साथ पीजेडटी पाउडर भी तैयार किया गया था और पिज़ोइलेक्ट्रिक, डाइ इलेक्ट्रिक और फेरोइलेक्ट्रिक गुण है। पीजेडटी-पीएमएन समग्र सामग्री तैयार की गई थी। इस अध्ययन के परिणामस्वरूप, विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए पिज़ो और डाइ इलेक्ट्रिक गुणों के आवश्यक संयोजन उत्पन्न करने के लिए विभिन्न पीजेडटी-पीएमएन रचनाओं की सामग्री तैयार करना संभव है । सीरिया के साथ डूबे पीएमएन-पीटी सामग्री भी तैयार की जाती है और इसकी गुणों की विशेषता है।ये सामग्री बहुत अच्छा पीजोइलेक्ट्रिक और ढांकता हुआ गुण होते हैं और इस तरह के बहुपरत संधारित्र और विद्युत प्रणाली के रूप में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
पीजेडटी पाउडर के गुणधर्म
पाइरोक्लोर मुक्त पीएमएन सिन्टेर्ड पेल्लेट के एसईएम पीएमएन के डाइ इलेक्ट्रिक आवृत्ति (आर टी पर)
पीजेडटी-पीएमएन सिरेमिक्स की विशेषताएं
लेड फ्री पिज़ो सामग्री
पीबीओ के बिना पिइज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पदार्थों को लेड फ्री पिज़ो सिरेमिक कहा जाता है । इनमें बेरियम टाइटेनैट (बीटी), बेरियम ज़िकोनेट टाइटेनैट शामिल हैं (9BZT), सोडियम नियोबेट, पोटेशियम नियोबेट, पोटेशियम सोडियम नियोबेट (KNN) आदि हाल के वर्षों में, पीबीओ की विषाक्तता की वजह से लेड फ्री पीजो सामग्री को महत्व दिया जाता है। निम्न घनत्व हाइड्रोफोन के निर्माण के लिए लेड फ्री पायजो सामग्री (पीजेडटी का <2/3) की एक महत्वपूर्ण सकारात्मक कारक है। हमारी प्रयोगशाला में, MgO,CaO और SRO के जैसे क्षारीय पृथ्वी धातु ऑक्साइड के साथ सिस्टम बेरियम ज़िकोननेट में लेड फ्री पीजो सामग्री तैयार कर अभिलक्षीकरण किया गया। एसआरओ डॉपड बी जेड टी ने उच्च पिज़ो इलेक्ट्रिक चार्ज का उत्पादन किया, (डी 33 = 330 पीसी / एन)। लेड फ्री पिज़ो बाइमोर्फ और एमएल स्टॉक की अवसंरचना किया ।
उच्च तापमान पीज़ो रेसिस्टिव पदार्थ का विकास
उच्च तापमान सेंसर अनुप्रयोग के लिए उच्च क्यूरी तापमान ( टीसी ) पिज़ो रेसिस्टिव सामग्री का संश्लेषण किया गया है। सामग्री को एक्सआरडी, एसईएम, 1000˚ सी तक पिज़ो प्रतिरोधकता और तापमान के संबंध में डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक तैयार किया गया। ये सामग्री गैस टरबाइन इंजनों में उच्च तापमान सेंसर के रूप में कार्य कर रहा हैं।
डीसी प्रतिरोधकता बनाम इन-हाउस तैयार पीज़ो रसिस्टिव पदार्थका तापमान
पी जेड टी उपकरणों का उपयोग कर पिज़ो इलेक्ट्रिक ऊर्जा उत्पादन
स्वदेश में विकसित पीजीटी बिमोरफ और बहुआयामी (एमएल) स्टॉक में उपयोग करके कंपन ऊर्जा का उत्पादन किया गया। ~ 150 परतों के एमएल स्टॉक, 100 माइक्रोन की प्रत्येक परत को पीटी-इलेक्ट्रोड का उपयोग करके आंतरिक इलेक्ट्रोड के रूप में और 1250˚C / 1h पर सह-निकाला गया। इसी तरह, 280μm और 40 x 15 मिमी 2 के क्षेत्र के पी जेड टी बि मोरफ बनाये गये थे। एक उपयुक्त इकट्ठा परीक्षण सेट अप का उपयोग करके ऊर्जा उत्पादन अध्ययन किया गया और उपकरणों द्वारा उत्पादित आउटपुट वोल्टेज मापा गया था।बिमोर्फ द्वारा उत्पादित आउटपुट वोल्टेज (450 एमवी) पी जेड टी एमएल स्टैक्स (125 एमवी) की तुलना में अधिक पाया गया था।पीजेडटी यूनिमोर्फ के ऊर्जा उत्पादन अध्ययन किया गया था जो 5.0 वी का अधिकतम वोल्टेज उत्पन्न करता है । उत्पादित ऊर्जा एल ई डी चमकने में सक्षम है।
(ए) अवसंरचित पीजेडटी एमएल स्टैक्स की तस्वीरें, (बी) पीजेडटी बिमोरफ और (सी) पीजेडटी बिमोर्फ और एमएल स्टाक्स से उत्पन्न आउटपुट वोल्टेज।
इलेक्ट्रोस्पिनिंग द्वारा पॉलिमर और सिरेमिक नैनोफाइबर का विकास
इलेक्ट्रोस्पिनिंग नैनोफाइबर की तैयारी के लिए एक सरल बहुमुखी तकनीक है । सीएसआईआर-एनएएल की हमारी प्रयोगशाला में, विभिन्न बहुलक और सिरामिक नैनोफाइबर जैसे पीवीएनए, पैन, al2 O 3, BaTiO 3, MN 3 O 4, SNO 2, सामरिया, लेड मुक्त पीजो बीसीटीएस नैनो फाइबर आदि तैयार किया। नैनो फाइबर परत पर पानी निस्यंदन और माइक्रोबियल तत्वों की निकासी के लिए वायु / औद्योगिक वायु निस्पंदन, रक्षा और स्वास्थ्य देखभाल उद्योगों के लिए हल्के वजन के कपड़े के क्षेत्र में अनुप्रयोग होते हैं ।
- पीज़ो पॉलिमर
डेढ़ दशक से, पीज़ो पॉलिमर ग्रुपने इलेक्ट्रिक बीटा चरण पॉलीविनाइडिडेन फ्लोराइड (पीवीडीएफ) फिल्मों के विकास में विशेषज्ञता हासिल की है । पीवीडीएफ एक बहुलक है जो अपने पीज़ो इलेक्ट्रिसिटि के लिए जाना जाता है जिसमें औद्योगिक और वांतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त कई फायदे हैं। पीवीडीएफ फिल्मों को विकसित करने के लिए विभिन्न तकनीकों को अपनाया जाता है (जैसा कि अंजीर 1 ए में दिखाया गया है), जिसमें विलायक कास्ट, गर्म प्रेस और एक्सट्रूज़न विधि शामिल है। उत्पादित फिल्में अल्फा चरण में हैं। पीज़ो इलेक्ट्रिक बीटा चरण को प्राप्त करने के लिए , एक थर्मिंग इकाई को फिल्म थर्मो को यांत्रिक रूप से फैलाने के लिए एनएएल में डिज़ाइन और तैयार किया गया है, जिसके लिए पेटेंट दिया गया है। फिल्म में यांत्रिक सतह, संरचनात्मक, रूपात्मक, तन्यता और पीजो संपत्तियों के लिए विशेषता थी। बीटा चरण फिल्मों को तब सेंसर और एक्ट्यूएटर बनाने के लिए डिजाइन किया गया था (जैसा कि चित्र1 बी में दिखाया गया है)। स्थिर और गतिशील प्रतिक्रिया के लिए सेंसर की जांच की जाती है। ये सेंसर विभिन्न अनुप्रयोगों जैसे दबाव सेंसर, कंपन सेंसर, संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी, ऊर्जा उत्पादन क्षेत्र और विंग तंत्र को फ़्लैप करने के लिए एक एक्ट्यूएटर के रूप में उपयोगी होते हैं (जैसा कि चित्र 1 सी में दिखाया गया है)।
पिछले कुछ वर्षों में, समूह ने विभिन्न अनुप्रयोगके लिए पीवीडीएफ समग्र फिल्मों को तैयार करने में विशेषज्ञता हासिल किया है । यह पीजेड टी , ZnO, टीआरएफई, ऑनियम साल्ट और पीएएनआई नैनो फिल्लैर्स के साथ पीवीडीएफ भी शामिल है। स्टोरेज कैपेसिटर्स, ध्वनिक सेंसर और एसएचएम में उपयुक्तता के लिए फिल्मों की जांच की गई थी।
ए) एक्स्ट्राउड पीवीडीएफ फिल्म बी ) पीवीडीएफ सेंसर सी) पीवीडीएफ एक्ट्यूएटर के रूप में
नीचे कुछ अनुप्रयोग प्रस्तुत किए गए हैं:
पीवीडीएफ सेंसर का उपयोग कर एमएवी पंखों का पृष्ठीय दाब मैपिंग
जहां पीवीडीएफ सेंसर का उपयोग 10-30 डिग्री कोण में 5-30 मीटर / सेकेंड तक हवा वेग के रूप में दबाव को मापने के लिए किया जाता है। विभिन्न स्थानों पर वायु फॉइल (जैसा चित्र 2 में दिखाया गया है) सेंसर का काम करता हैं। दबाव विभिन्न स्थानों पर प्राप्त दर्ज हैं और परिणाम पारंपरिक पिटोट ट्यूबों की तुलना में हैं।
एक गतिशील दबाव सेंसर के रूप में पीवीडीएफ जहां पीवीडीएफ फिल्म का मोटापन एक एक्रिलिक डिवाइस (जैसा कि अंजीर 3 में दिखाया गया है) में एक दबाव इनलेट के साथ तय किया जाता है। पीवीडीएफ की प्रतिक्रिया दोनों वायुमंडलीय और पूर्ण दबाव की स्थिति में ली जाती है। परिणाम प्रगति पर हैं।
दबाव संवेदक
पीवीडीएफ सेंसर का उपयोग कर ऊर्जा उत्पादन
ऊर्जा उत्पादन कर्ताओं को अभिकल्पित, विकसित और विभिन्न विन्यास जैसे अनिमॉर्फ , बिमोर्फ , मल्टीमोर्फ और सरणी (अंजीर 4 में दिखाया गया) के साथ बनाया गया है। उपकरणों को यांत्रिक कंपन के अधीन किया जाता है और आउटपुट वोल्टेज को व्यक्तिगत डिवाइस की अनुनाद आवृत्ति को ठीक से ट्यूनिंग करके अधिकतम किया जाता है। मल्टीमोर्फ हारवेस्टर डिवाइस से प्राप्त आउटपुट पीक के लिए 11 वी पीक है।
क्रमशः मल्टीमोर्फ और सरणी विन्यास में ऊर्जा उत्पादन उपकरण
- एमईएमएस के लिए पीजेडटी पतली फिल्में
सीएसआईआर-एनएएल के पदार्थ विज्ञज्ञन प्रभाग ने पीजेडटी पतली फिल्मों और विभिन्न धातु, समग्र, बहुलक , सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स और वास्तविक संरचनाओं पर कोटिंग्स के विकास पर आधा दशक से अधिक समय से जुड़ा हुआ है । अनुसंधान के ड्राइविंग बल स्मार्ट सेंसर और एक्चुएटर्स के क्षेत्र में इसकी अधिक मांग थी। हमेशा की तरह बड़े क्षेत्र कवरेज कोटिंग की खूबियां पजोइलेक्ट्रिक कोटिंग के मामले में समान है, जिसमें पीज़ोसेरामिक और पीज़ोपॉलिमर्स के बेहतर तन्यता के फ्लेक्सुरल ताकत होने का अतिरिक्त लाभ के साथ सब्सट्रेट सामग्री है।
उच्च गुणवत्ता के पीजेडटी (मोर्फाट्राफिक चरण सीमा रचना के पास) 300 एनएम से 1 सुक्ष्ममापी के मोटापन की पतली फिल्में सिलिकॉन वेफर पर तैयार किया गया और भैतिक, विद्युत, यांत्रिक, फेरोइलेक्ट्रिक और पीजोइलेक्ट्रिक गुणों के लिए विशेष है। ये गुण पुनरुत्पादित हैं और वाणिज्यिक उत्पाद के समान हैं (अंतरराष्ट्रीय आपूर्तिकर्ता, इनोस्टेक , कोरिया की तुलना में)। 2 इंच पीजेडटी लेपित वेफर के उत्पादन मार्ग (स्वच्छ कमरे के वायुमंडल में) माइक्रोफाब्रिकेशन में इसके आगे के उपयोग के लिए परीक्षण योग्य है ।
पीजेडटी लेपित सिलिकॉन वेफर का उपयोग गतिशील दबाव सेंसर विकसित करने के लिए किया गया था। एमईएमएस फैब्रिकेशन तकनीक को इस विकास के लिए नियोजित किया गया था। विकसित दबाव संवेदक ने 100 एमबीआर के संकल्प के साथ संतोषजनक प्रदर्शन दिखाया । इस सेंसर के उत्पाद को साकार करने के प्रयास जारी हैं ।
संरचनात्मक स्वास्थ्य निगरानी (एसएचएम) और फ़्लैपिंग विंग के लिए इनसिटु पीज़ोसेरामिक कोटिंग
इनसिटु पीजेडटी आधारित पीज़ो सेरामिक कोटिंग ट्रांसमीटर और अल्ट्रासोनिक तरंग कोटिंग के रिसीवर के रूप में दोहरी कार्यक्षमता के साथ वांतरिक्ष ग्रेड एल्यूमिनियम धातु और सम्मिश्र (सीएफआरपी और जीएफआरपी) की नियमित और अनियमित सतहों पर विकसित किया गया है । सफल स्थानीय और वैश्विक संरचनात्मक स्वास्थ्य की निगरानी के लिए परीक्षण किया गया है और संयुक्त संरचनाओं ( संदूषण , फाइबर अलगाव, फाइबर कट) और धातु घटकों के नुकसान का पता लगाने के लिए बहुत ही आशाजनक पाया गया । इस कोटिंग को नियोजित करके विभिन्न प्रकार के नुकसान का पता चला है। कोटिंग ने कड़े परीक्षणों को अर्हता प्राप्त करके फील्ड अनुप्रयोगों में इसकी उपयोगिता साबित कर दी है।
ड्रैगनफ्लाई विंग की फ़्लैपिंग गति की नकल करने के लिए भिन्न पदार्थ मिश्रण में समान पिइज़ोसेरामिक कोटिंग का उपयोग किया गया था। प्रारंभ में, विंग मॉडल अनुकरण किया गया था और डिजाइन पैरामीटर अनुकूलित किए गए थे। अनुकूलित पैरामीटर के साथ ड्रैगनफ्लाई विंग के अनुरूपित परिणाम ने अनुनाद पर 8 मिमी विस्थापन दिखाया जिसे प्रयोगात्मक रूप से मान्य किया गया था।
विंग टिप विस्थापन का प्रायोगिक परिणाम और फ़्लैपिंग विंग का नज़दीक दृश्य
4. थर्माइलेक्ट्रिक पदार्थऔर उपकरण
पदार्थ विज्ञान प्रभाग पिछले दो दशकों से थर्मोइलेक्ट्रिक (टीई) पदार्थ और उपकरणों के अनुसंधान और विकास में सक्रिय रूप से शामिल है। टी कूलर और पावर जनरेटर के लिए उपयुक्त कई पदार्थ का विकास किया गया है। तालिका 1 विकसित सभी पदार्थों का सारांश है और उनकी योग्यता (जेडटी) के साथ विशेषता है।
तालिका 1: विकसित TE पदार्थ की सूची
कमरा तापमान के नीचे |
तापमान सीमा |
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400K |
650K |
800K |
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बीआई- एसबी : ZT ~ 2 80k पर (रिपोर्ट किया गया) आरटी पर जेडटी = 0.4 (प्राप्त) |
पी एंड एन टाइप द्वि-टिल्लॉइस: जेडटी ~ 1 (की सूचना दी) 1.2-1.4 (प्राप्त)
प्रोटोटाइप कूलर और जेनरेटर की अवसंरचना की गई |
जेएन- एसबी मिश्र धातु: पी प्रकार 0.7 के लिए जेडटी (300 ओ सी पर रिपोर्ट ) और 0.68 (प्राप्त) डॉप किया गया औरअनडॉप्ड CoSb : ~ 0.4 (रिपोर्ट और प्राप्त) प्रोटोटाइप जनरेटर फैब्रिकेटेड |
एजीपीबीएसबीटी (अंतिम): अब तक की सर्वश्रेष्ठ टीई सामग्री की सूचना दी गई है;जेडटी = 2.1 नैनोस्ट्रक्चरिंग के माध्यम से जेडटी 2.4 प्राप्त किया शुद्ध और डॉपेड पीबीटी : जेडटी ~ 1 (रिपोर्ट और प्राप्त) |
प्रयोगशाला में विकसित पदार्थों में कई प्रोटोटाइप टीई जनरेटर और कूलर का निर्माण किया गया था। बीआईईटीई, सीओएसबी, पीबीटीई और बीआईएसबी आधारित पदार्थों के पी और एन लेग को उनके उपकरण के निष्पदन के लिए परीक्षण किया गया था। प्रोटोटाइप टी कूलर (दो तत्व) और टीई जेनरेटर (आठ तत्व उपकरण) बीआईटीई और कोएसबी पदार्थ से बना है। बीआईटीई आधारित टी कूलर के लिए 250 तापमान अंतर हासिल किया गया था। 4000C के तापमान के लिए 8 तत्व टी जेनरेटर के लिए प्राप्त अधिकतम बिजली उत्पादन 4W/m2 था। समूह ने थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों के विकास के लिए ज्ञानाधार और सौर तापीय रूपांतरण के साथ समानता प्राप्त किया है।
प्रोटोटाइप टीई कूलर प्रोटोटाइप टीई पावर जेनरेटर
उच्च तापमान (1100 से अधिक) औद्योगिक, वायुयान और ऑटोमोबाइल अपशिष्ट ऊष्म के लिए ऑक्साइड आधारित थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ पर काम शुरू किया गया है क्योंकि ऑक्साइड पदार्थों का रासायनिक और थर्मल स्थिरता, आसान प्रसंस्करण और लागत के संदर्भ में लाभदायक है। उच्च-घनत्व एन-पेरोवस्काइट और पी-लेयरड कोबाल्टेट आधारित पदार्थों का विकास हॉट-प्रेस सिटरिंग के माध्यम से थर्मो-भौतिक गुणों की विशेषता है (अर्ध-स्थिर-स्थिति 2-प्रोब व्यवस्था और विद्युत प्रतिरोधकता के माध्यम से सीबेक गुणांक 4-प्रोब डेल्टा मोड), मिलिवाट की सीमा में बिजली उत्पादन के लिए प्रोटोटाइप मॉड्यूल के निर्माण और परीक्षण के लिए किया गया है। वर्तमान में, संवेदन और वायरलेस संवेदन नेटवर्क को ऊर्जा देने के लिए इंजन निकास अपशिष्ट ताप से ऊर्जा कटाई के संभावित आवेदन की दिशा में काम चल रहा है। आगे, गैस टरबाइन इंजन के लिए उच्च तापमान संवेदन के रूप में इंडियम ऑक्साइड आधारित थर्मोइलेक्ट्रिक पदार्थ का पता लगाया जा रहा है।
5. गैर पारंपरिक फोटोवोल्टाइक्स के लिए मल्टीफेराइक पदार्थ
मल्टीफेराइक पदार्थों के उपयोग से सौर ऊर्जा उत्पत्ति आशाजनक और उभरता शोध क्षेत्र है। संशोधित बिस्मुथ फेराइट (बीएफओ) आधारित मल्टीफाइरोइलेक्ट्रिक पदार्थ का अध्ययन गैर परंपरागत फोटोवोल्टाइक्स के लिए किया गया है। तरंगदैर्ध्य λ>464 एनएम के फोटॉन, 80% से अधिक सौर स्पेक्ट्रम के लिए जिम्मेदार है, इसके उच्च बैंड अंतर के कारण बीएफओ द्वारा अवशोषित नहीं किया जा सकता। अपनी फेराइक (फेरोइलेक्ट्रिक और चुंबकीय) गुणों को प्रभावित किए बिना ऐसे पदार्थों के बैंड अंतर को कम करना एक चुनौती है, लेकिन उच्च फोटोवोल्टाइक रूपांतरण दक्षता प्राप्त करने के लिए आवश्यक है। निरंतर अनुसंधान द्वारा 2.7 ईवी से बीएफओ के बैंड अंतर को 1.6 ईवी तक कम करना संभव था। बैंडगैप संशोधन के बाद तरंगदैर्ध्य रेंज λ>464 एनएम में काफी सुधारे हुए पदार्थों की ऑप्टिकल संवेदनशीलता और आशाजनक फोटोवोल्टाइक गुण दिखाए गए हैं। युग्मित फेरोइलेक्ट्रिसिटी, फेरोमाग्नेटिज्म, ऑप्टिकल और फोटोवोल्टाइक गुणों के साथ पदार्थ का यह विशेष वर्ग बहुआयामी अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक प्रतीत होता है।
Schematic representation of mutiferroic properties of low band gap KBFO thin film
6. स्टेल्थ अनुप्रयोगों के लिए रडार अवशोषक पदार्थ
रडार अवशोषक पदार्थ (रैम) रणनीतिक वायुयान प्रणाली के लिए महत्वपूर्ण घटक है जो स्टेल्थ यानों के लिए रडार क्रॉस सेक्शन (आरसीएस) को कम कर देता है। फेराइट (स्पिनल और हेक्सागोनल) को एक्स-बैंड क्षेत्र में उनकी अनुकूलित पारगम्यता के कारण समग्र रैम विकसित करने के लिए उपयुक्त उम्मीदवार माना जाता है। पिछले दो सालों से, पदार्थ विज्ञान प्रभाग फेराइट-एपॉक्सी कंपोजिट को राल-कास्ट तकनीक के माध्यम से समोच्च संरचना के रूप में विकसित करने और टेप कास्टिंग तकनीक द्वारा नियर-फ्लेक्सिबल फिल्म के रूप में विकसित करने में शामिल है। विद्युतचुंबकीय केन्द्र के सहयोग से आरसीएस कटौती हेतु बृहद् आयामी फिल्म बनाने और परीक्षण करने के लिए काम चल रहा है।