Measurements of permittivity changes in alumina

Keraamimateriaalien käyttö teollisuuden sovelluksissa on lisääntynyt huomattavasti viime vuosina uusien teknisten keraamien ansiosta. Keraamien ominaisuuksien mittaamiseen käytettävät tutkimusmenetelmät eivät ole kuitenkaan kehittyneet teollisuuden käyttöön sopiviksi. Puutteena perinteisissä mittausmenetelmissä on mm. soveltumattomuus jatkuvatoimiseen mittaukseen. Tässä diplomityössä tutkitaan huokoisten alumiinioksidien mittaamista sähköisellä ainetta rikkomattomalla menetelmällä, joka perustuu mitattavan materiaalin di-elektrisiin ominaisuuksiin. Menetelmässä mitattava näyte asetetaan vastuksen ja tasolevykondensaattorin muodostaman elektronisen alipäästösuotimen kondensaattorin eristemateriaaliksi, jolloin näytteen permittiivisyys vaikuttaa kondensaattorin kapasitanssiin. Mittaustuloksena lasketaan näytemateriaalin aiheuttama taajuusvaste 0 – 125 kHz:n taajuuskaistalta käyttäen apuna monitaajuussignaalia, jonka avulla voidaan tehostaa mittausnopeutta ja toteuttaa jatkuvatoiminen mittaus. Ensimmäisissä mittauksissa havaittiin, että huokoisissa keraameissa tapahtui hitaita muutoksia, jotka näkyivät epäideaalisena taajuusvasteena. Näiden huokoisesta materiaalista johtuvien epäideaalisuuksien syntymekanismeja selvitetään tekemällä taajuusvastemittauksia usealla tavalla käsitellyille huokoisille keraameille. Keraameja käsitellään mm. vedellä, hapolla ja suolalla. Mittauksia varten valmistettiin lietevalumenetelmällä kolme näytesarjaa alumiinioksidikeraameja, joiden keskimääräiset huokoisuusosuudet olivat 3 %, 18 % ja 33 %. Tuloksissa löydettiin yhteys kosteuden ja taajuusvasteessa esiintyvien epäideaalisuuksien välille. Havaittiin, että epäideaalisuudet voidaan poistaa väliaikaisesti, kun näytteistä poistetaan kosteus. Tarpeeksi kosteutta saatiin poistettua ja taajuusvasteen epäideaalisuudet katoamaan jo 120 °C:ssa uunissa. Lisäksi kokeissa havaittiin, että taajuusvasteissa ei tapahdu muutoksia, jos keraameja säilytetään kuivissa olosuhteissa eksikaattorissa. Tulokset osoittavat myös, että sähköinen mittaus soveltuu huokoisuuden mittaamiseen keraamista, kun näytteistä on poistettu häiriötä aiheuttava kosteus. Lisäksi kokeiden tulokset tukevat hypoteesia, jonka mukaan epäideaalisuudet johtuvat huokosrakenteeseen adsorpoituvan ohuen vesikerroksen polarisaatiosta