(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất gốm áp điện mềm trên cơ sở PZT pha tạp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT GỐM ÁP ĐIỆN MỀM TRÊN CƠ SỞ PZT PHA TẠP LUẬN VĂN THẠC SĨ: VẬT LÝ CHẤT RẮN Bình Định - Năm 2021 download by : skknchat@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT GỐM ÁP ĐIỆN MỀM TRÊN CƠ SỞ PZT PHA TẠP Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS PHAN THANH HẢI download by : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất gốm áp điện mềm sở PZT pha tạp” kết nghiên cứu Số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Thị Ánh Tuyết download by : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực luận văn, nỗ lực thân, tác giả nhận nhiều giúp đỡ quý báu, vật chất lẫn tinh thần Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Phan Thanh Hải, thầy TS Trương Văn Chương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên tơi hồn thành luận văn Tác giả gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Khoa Khoa học Tự nhiên Trường Đại học Quy Nhơn; Khoa Điện - Điện tử & Công nghệ Vật liệu Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế tạo điều kiện để luận văn hoàn thành Xin chân thành cảm ơn BGH Trường PTDTNT THPT Bình Định tạo điều kiện thuận lợi mặt thời gian cho tơi suốt q trình tham gia học tập nghiên cứu Tôi chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn K22 động viên, khích lệ tinh thần suốt q trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận văn, kinh nghiệm nghiên cứu chưa nhiều thời gian ảnh hưởng dịch bệnh Covid -19 kéo dài, nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đồng cảm ý kiến đóng góp quý báu từ q Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện Bình Định, năm 2021 Tác giả luận văn download by : skknchat@gmail.com MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GỐM ÁP ĐIỆN MỀM TRÊN NỀN VẬT LIỆU CHÌ 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN 1.2 GỐM ÁP ĐIỆN PZT 1.2.1 Tổng quan PZT 1.2.2 Tổng quan PZT pha tạp 1.3 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ GỐM ÁP ĐIỆN MỀM TRÊN NỀN PZT 11 1.3.1 Trên giới 11 1.3.2 Nghiên cứu nước 14 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN MỀM Pb0.988 (Zr0.525Ti0.475)0.97 Nb0.024Sb0.006O3 16 2.1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU 16 2.2 CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU 25 download by : skknchat@gmail.com 2.2.1 Cấu trúc 25 2.2.2 Vi cấu trúc 27 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA GỐM Pb0.988 (Zr0.525Ti0.475)0.97Nb0.024Sb0.006O3 28 3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ Ủ 28 3.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất áp điện 28 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến đặc tính sắt điện 31 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN Ủ ĐẾN TÍNH CHẤT ÁP ĐIỆN 33 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ PHÂN CỰC 35 3.3.1 Ảnh hưởng điện trường phân cực đến tính chất điện mơi, áp điện mẫu gốm CH3A-U (ủ 7000C, giờ) 35 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ phân cực đến tính chất điện mơi, áp điện mẫu gốm CH3A-U (ủ 7000C, giờ) 36 3.3.3 Ảnh hưởng thời gian phân cực đến tính chất điện môi, áp điện mẫu gốm CH3A-U (ủ 7000C, giờ) 38 3.4 ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHẠY CỦA VẬT LIỆU GỐM ÁP ĐIỆN MỀM 40 3.5 THỬ NGHIỆM CHẾ TẠO BIẾN TỬ HÌNH TRỤ 42 3.5.1 Phao thủy âm 42 3.5.2 Một số kỹ thuật tạo hình 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 KẾT LUẬN 50 KIẾN NGHỊ 51 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh ADP Ammonium Dihydrogen Tên tiếng Việt Phosphate BT (BaTiO3) Bari Titanat DIFAR Directional Frequency Thiết bị thu phân Analysis and Recording tích tín hiệu DKT Dipotassium Tartrate DTA Diffferential Thermal Analysis EDT Ethylene Diamine Tartrate KH2PO4 (KDP) Kali Dihydro Phosphase MPB Morphotropic Phase Phép đo phân tích nhiệt Biên pha hình thái học Boundary PNR(s) Polar Nanoregion(s) PVA Polyvinyl Alcohol Vùng phân cực vi mô PZT {Pb(Zr,Ti)O3} Lead Zirconate Titanate PZT - PMnNb Pb(Zr,Ti)O3 -Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PZT-PZN - PMnN Pb(Zr,Ti)O3 -Pb(Zn1/3Nb2/3)OPb(Mg1/3Nb2/3)O33 SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét TGA Thermal Gravimetric Analysis Phép đo phân tích nhiệt trọng lượng UV-Vis XRD Ultraviolet-Visible Máy quang phổ tử spectroscopy ngoại khả kiến X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Khối lượng phối liệu thành phần 17 Bảng 2.2 Thành phần keo bạc 21 Bảng 3.1 Hệ số áp điện d33 (pC/N) gốm ủ theo nhiệt độ 30 Bảng 3.2 Các thơng số áp điện gốm ủ theo nhiệt độ 31 Bảng 3.3 Các thông số sắt điện vật liệu 32 Bảng 3.4 Hệ số áp điện d33 (pC/N) gốm ủ 700oC theo thời gian 34 Bảng 3.5 Các thơng số áp điện gốm theo thời gian ủ 34 Bảng 3.6 Thông số áp điện, điện môi mẫu gốm biến đổi theo số giá trị điện trường phân cực 35 Bảng 3.7 Thông số áp điện, điện môi mẫu gốm biến đổi theo số giá trị nhiệt độ phân cực 37 Bảng 3.8 Hệ số liên kết điện áp điện gốm phụ thuộc thời gian phân cực 38 Bảng 3.9 Thông số áp điện số loại gốm 41 download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc Perovskite ABO3 Hình 1.2 Giản đồ pha dung dịch rắn PZT Hình 1.3 Mối liên hệ nồng độ PbZrO3 với hệ số liên kết hệ số áp điện Hình 1.4 Nguyên lý pha tạp mềm gốm PZT Hình 1.5 Nguyên lý pha tạp cứng gốm PZT 10 Hình 2.1 Quy trình công nghệ chế tạo gốm áp điện truyền thống 16 Hình 2.2 Máy nghiền kiểu cọ xát 17 Hình 2.3 Giản đồ phân tích nhiệt TG-TDA PZT 18 Hình 2.4 Phân bố kích thước hạt bột gốm nghiền phương pháp nghiền bi (a) nghiền cọ xát (b) 19 Hình 2.5 Chuẩn bị cốc nung mẫu gốm 20 Hình 2.6 Quy trình chế tạo keo bạc 21 Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ phân cực áp điện 22 Hình 2.8 Bộ nguồn cao áp DC – 40 kV Bộ môn Vật lý Chất rắn – Trường ĐHKH – Đại học Huế 23 Hình 2.9 Cải tiến cân điện tử để cân mẫu chất lỏng 24 Hình 2.10 Mạch đo đường trễ sắt điện phương pháp Sawyer – Tower 24 Hình 2.11 Sơ đồ khối thiết bị đo xác định nhiệt độ chuyển pha 25 Hình 2.12 Phổ nhiễu xạ tia X mẫu CH3A chế tạo lượng lớn mẻ 300 g 26 Hình 2.13 Phổ nhiễu xạ tia X gốm CH3A chế tạo mẻ 30 g 26 Hình 2.14 Ảnh SEM gốm CH3A chế tạo với khối lượng 300 g (a) chế tạo khối lượng 30 g (b) 27 Hình 3.1 Phổ cộng hưởng theo phương bán kính mẫu ủ nhiệt độ khác 29 download by : skknchat@gmail.com Hình 3.2 Sự thay đổi hệ số áp điện d33 mẫu ủ nhiệt độ khác 30 Hình 3.3 Đường trễ sắt điện mẫu không ủ ủ theo nhiệt độ khác 32 Hình 3.4 Sự thay đổi Ec Pr mẫu theo nhiệt độ ủ 32 Hình 3.5 Phổ cộng hưởng theo phương bán kính mẫu ủ 700oC khoảng thời gian khác 33 Hình 3.6 Sự thay đổi hệ số áp điện d33 mẫu theo thời gian ủ 34 Hình 3.7 a) Sự phụ thuộc hệ số chuyển đổi điện kp số điện môi ε theo điện trường phân cực; b) Sự phụ thuộc hệ số áp điện d33 theo điện trường phân cực 36 Hình 3.8 a) Sự phụ thuộc hệ số chuyển đổi điện kp số điện môi ε theo nhiệt độ phân cực; b) Sự phụ thuộc hệ số áp điện d33 theo nhiệt độ phân cực 37 Hình 3.9 Sự phụ thuộc hệ số liên kết điện kp hệ số áp điện d33 theo thời gian phân cực 38 Hình 3.10 Đặc trưng chuyển pha gốm áp điện mềm CH3A-U 39 Hình 3.11 Khối biến tử thu áp điện phao thủy âm vơ tuyến PΓБ-HM-1 43 Hình 3.12 Phương pháp ép khuôn chế độ đơn (trái) ép (phải) 44 Hình 3.13 Hai chế độ ép đẳng áp: (a) ép túi ướt (b) ép túi khơ 45 Hình 3.14 Cấu tạo khn ép đẳng tĩnh: - Nắp cao su dưới; - Hình trụ rỗng cao su; 3- Hình trụ lõi thép 46 Hình 3.15 Các hình trụ rỗng sau lấy khỏi khn ép 47 Hình 3.16 Hình ảnh số loại biến tử gốm áp điện hình trụ 47 Hình 3.17 Phổ cộng hưởng số biến tử hình trụ gốm BaTiO3 48 Hình 3.18 Phổ cộng hưởng biến tử hình trụ gốm CH3A-U 49 download by : skknchat@gmail.com 47 Hình 3.15 Các hình trụ rỗng sau lấy khỏi khn ép Nung định hình lựa chọn mẫu Do kết cấu vật liệu ép từ bột tương đối khơ, kích thước mẫu lớn lại có hình trụ, lượng bột sử dụng cho mẫu nhiều (55 ÷ 90 g) nên phải thêm cơng đoạn tạm gọi nung định hình lựa chọn mẫu Mục đích cơng đoạn sau ép định hình hình dạng biến tử, cần kiểm tra để loại bỏ khối bột ép hình xuyến xuất khuyết tật có Nói chung khuyết tật thường gặp ép mẫu mẫu bị nứt phân lớp mà khuyết tật khơng thể cho ta mẫu có tính chất tốt Đối với mẫu lớn, khuyết tật dễ gặp đặc biệt tình trạng phân lớp Thường thường ta quan sát mẫu sau ép mắt thường kính lúp cầm tay, phát mẫu bị nứt mẫu bị loại bỏ trước nung thiêu kết Hình 3.16 Hình ảnh số loại biến tử gốm áp điện hình trụ download by : skknchat@gmail.com 48 Để khắc phục ta chọn phương pháp xử lý sau: mẫu chọn cách xem xét mắt nung với tốc độ tăng nhiệt chậm (2oC/phút) vùng nhiệt độ 200oC, sau tăng nhiệt với tốc độ 5oC/phút đến nhiệt độ 700oC giữ nhiệt độ Đây nhiệt độ đốt cháy hết chất kết dính tăng cường tính tạo pha vật liệu Mẫu sau nung có kết cấu tương đối (nhưng cịn đủ mềm để gia cơng nguội) Điều quan trọng mẫu có khuyết tật phát dễ dàng Bột mẫu bị khuyết tật cịn tính chất bột sau nung sơ chúng nung qua nhiệt độ 700oC, nhiệt độ thấp nhiệt độ nung sơ Tiếp tục kiểm tra lựa chọn mẫu hồn hảo Mẫu có khuyết tật nghiền làm lại Thực tế cho thấy công đoạn hiệu quả, nhờ mẫu lựa chọn hai lần giảm hẳn tỷ lệ hư hỏng mẫu cuối, tiết kiệm vật tư nguyên liệu Quá trình nung thiêu kết ủ nhiệt phân cực thực với thơng số cơng nghệ trình bày phần Hình 3.16 hình ảnh số loại biến tử gốm áp điện hình trụ rỗng chế tạo Hình 3.17 phổ cộng hưởng áp điện số biến tử hình trụ có phao PΓБ-HM-1 Vật liệu phao gốm BaTiO3 Hình 3.17 Phổ cộng hưởng số biến tử hình trụ gốm BaTiO3 download by : skknchat@gmail.com 49 Hình 3.18 Phổ cộng hưởng biến tử hình trụ gốm CH3A-U Có thể nhận xét rằng, dạng cộng hưởng hai loại biến tử hình trụ có kích thước từ gốm BaTiO3 gốm CH3A-U giống Tuy nhiên, vật liệu khác nên tần số cộng hưởng chúng khác Điều khác biệt bậc nhảy đỉnh cộng hưởng từ gốm CH3A-U cao so với gốm BaTiO3 (cỡ bậc) tần số cộng hưởng dịch mạnh phía tần số thấp Hiện nay, tàu ngầm đại hoạt động với tần số thấp để “tàng hình” trước thiết bị cảm biến, việc nghiên cứu vật liệu gốm với thơng số tối ưu, có độ nhạy cao tần số cộng hưởng thấp ứng cử viên tốt Các thiết bị cảm biến đáp ứng u cầu tính năng, kĩ thuật Vậy nói, với kết tạo biến tử gốm hình trụ sở tạo cảm biến phao thủy âm vô tuyến thụ động Làm chủ công nghệ sản xuất nước với giá thành thấp, dễ dàng chế tạo, nâng cao lực chiến đấu phòng vệ quốc gia download by : skknchat@gmail.com 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, luận văn thạc sĩ khoa học có đề tài “Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất gốm áp điện mềm sở PZT pha tạp” hoàn thành đạt kết sau: - Đã chế tạo thành công hệ gốm áp điện Pb0.988(Zr0.525Ti0.475)0.97 Nb0.024Sb0.006O3 (CH3A) phương pháp gốm truyền thống 1150 oC Kết nghiên cứu cho thấy, phương pháp nghiền bi thông thường cho kết giống gốm chế tạo sử dụng phương pháp nghiền cọ xát lượng Gốm có cấu trúc pha perovskit tứ giác - Đã nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến tính chất sắt điện, áp điện gốm CH3A Mẫu gốm sau nung thiêu kết (ký hiệu CH3A-0) ủ nhiệt độ 6000C, 6500C, 7000C, 7500C, 8000C, 8500C, 9000C, 9500C 10000C thời gian Kết nghiên cứu cho thấy ủ nhiệt có tác dụng cải thiện tốt tính chất áp điện, sắt điện Mẫu sau ủ 700°C giờ, d33 tăng từ 512,6 lên 566 pC/N kp tăng nhẹ từ 0,64 lên 0,66 - Đã nghiên cứu ảnh hưởng thời gian ủ nhiệt đến tính chất sắt điện, áp điện gốm CH3A-700 Kết nghiên cứu cho thấy thời gian ủ có tác dụng làm tăng thông số áp điện vật liệu Hệ số áp điện d33 tăng tăng thời gian ủ đạt giá trị cực đại ~ 566 pC/N sau ủ giờ, sau giảm nhẹ tăng thời gian ủ Hệ số liên kết điện kp tăng nhẹ từ 0,64 đến 0,66 sau ủ - Mẫu sau chế tạo ủ 700°C thời gian (CH3A-U) cho thông số áp điện cải thiện: d33 = 566 pC/N, kp = 0,66, Qm = 72 download by : skknchat@gmail.com 51 - Đã nghiên cứu ảnh hưởng chế độ phân cực đến tính chất gốm CH3A sau ủ 700°C (CH3A-U) Kết chọn chế độ phân cực tối ưu: 40kV/cm, nhiệt độ 120°C thời gian 20 phút Gốm (CH3A-U) sau phân cực có thơng số áp điện cải thiện cụ thể ε = 1978, kp= 0.68, d33= 603 (pC/N), Qm = 72, TC = 366oC - Đã thử nghiệm chế tạo biến tử hình trụ sử dụng cơng nghệ ép khn đẳng hướng KIẾN NGHỊ Để thu gốm có tính chất áp điện tốt, cần nên tiếp tục khảo sát mối tương quan cấu trúc, vi cấu trúc gốm ủ chế độ khác (nhiệt độ ủ, thời gian ủ, môi trường ủ) với tính chất điện mơi, sắt điện, áp điện Đây sở để có giải pháp nâng cao tính ổn định vật liệu Ngồi ra, có thời gian nghiên cứu ta cải thiện độ nhạy, biến tính vật liệu cách thiết kế biến tử chế tạo vật liệu áp điện kiểu tổ hợp Cách tiếp cận cho phép cải thiện hệ số áp điện thủy tĩnh, tăng cường độ nhạy, độ dẻo khả phối hợp trở kháng tốt với nước thường dùng thiết bị chuyển đổi lượng hay thu thủy âm có dải tần số thấp, độ nhạy cao [8] [12] Tóm lại, tương lai gần, gốm áp điện sở vật liệu chì tiếp tục chiếm ưu lĩnh vực chế tạo đầu dò âm - siêu âm nước chi phí thấp, hệ số áp điện cao, dễ chế tạo mở rộng ứng dụng lĩnh vực khác download by : skknchat@gmail.com 52 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Do Phuong Anh, Do Viet On, Dao Anh Quang, Nguyen Van Thinh, Nguyen Thi Anh Tuyet, Vo Thanh Tung and Truong Van Chuong (2020), “Structural, dielectric and piezoelectric properties of PZT/PVDF composites prepared by hot press method”, International journal of Engineering Research & Technology, Vol 9, Issue 4, April, 2020 Trương Văn Chương, Hoàng Ngọc Minh Trường, Nguyễn Thị Ánh Tuyết (2021), “Ảnh hưởng chế độ xử lý nhiệt đến tính chất vật lý gốm áp điện mềm sở PZT pha tạp phức hợp”, Kỷ yếu Hội nghị Vật lý Thừa Thiên Huế 2021, NXB Đại học Huế ISBN: 978-604-974-905-6-2021, trang 168-173 download by : skknchat@gmail.com 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trương Văn Chương, Đỗ Phương Anh, Lê Quang Tiến Dũng, Đặng Anh Tuấn, Đỗ Viết Ơn, Nguyễn Thị Quỳnh Liên, Lê Trọng Dũng, Ngô Ngọc Tuấn (2015), “Nghiên cứu chế tạo vật liệu áp điện mềm dùng biến tử thủy âm”, Kỷ yếu Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ (SPMS-2015), tr.322-327 [2] Trương Văn Chương, Võ Văn Bình, Nguyễn Minh Hồng, Ngô Ngọc Tuấn, Đỗ Viết Ơn, Võ Thanh Tùng (2019), “Giải mã vật liệu kết nghiên cứu chế tạo gốm áp điện mềm sở PZT pha tạp phức”, Kỷ yếu Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ XI – SPMS 2019 Nhà xuất Bách khoa Hà Nội, ISBN-978-604-98-7505-2, tr 257-260 [3] Lê Trọng Dũng, Trần Tiến Phức, Đinh Thị Thu Thủy, Võ Văn Bình, Mai Thị Thu Trinh, Trần Thị Trang Trương Văn Chương (2016), “Nghiên cứu chế tạo gốm áp điện dùng đầu dò máy dò cá, đo sâu”, Kỷ yếu Hội nghị Vật lý Thừa Thiên Huế 2016, NC/96-2016, tr.97-103 [4] Hoàng Quốc Khánh (2004), Nghiên cứu chế tạo gốm áp điện sở PZT pha tạp, Luận văn Thạc sỹ Khoa học Vật Lý, Trường Đại học Khoa Học – Đại học Huế [5] Phao thủy âm vô tuyến РГБ-НМ-1, Thuyết minh kỹ thuật КЯ2.908.000 TO Quân chủng Không quân, Cục kỹ thuật, 1997 Tiếng Anh [6] Benudhar Sahoo, Prasanta Kumar Panda (2013), “Effect of lanthanum, neodymium on piezoelectric, dielectric and ferroelectric properties of PZT”, Journal of Advanced Ceramics 2013, 2(1): 37–41 download by : skknchat@gmail.com 54 [7] Byeong Woo Lee and Eon Jong Lee, Effects of complex doping on microstructural and electrical properties of PZT ceramics, J Electroceram (2006) 17:597–602 [8] Cao, X., Sun, Q., Sun, J., Wang, Z L., Xiong, Y., Zhu, X., (2021), “Piezoelectric Nanogenerators Derived Self-Powered Sensors for Multifunctional Applications and Artificial Intelligence”, Adv Funct Mater, 2102983, page 1-31 [9] Damjanovic, D., (1998), Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics, Rep Prog Phys 61 1267–1324 [10] Eitssayeam, S., Jarupoom P., Rujijanagul, G., (2013), “High Dielectric and Piezoelectric Properties Observed in Annealed Pb0.88Sr0.12Zr0.54Ti0.44Sb0.02O3 Ceramics”, Ferroelectrics, 451:48–53, 2013 [11] Florian H Schader, Maxim Morozov, Espen T Wefring, Tor Grande, and Kyle G Webber (2015), “Mechanical stability of piezoelectric properties in ferroelectric perovskites”, Journal of Applied Physics 117, 194101 [12] Huang et la Y (2021), “Enhanced piezoelectricity from highly polarizable oriented amorphous fractions in biaxially oriented poly(vinylidene fluoride) with pure β crystals”, Nat Commun 12, 675 [13] John L Butler Charles H Sherman (2016) Transducers as Hydrophones, Transducers and Arrays for Underwater Sound, Springer [14] Kenji Uchino (2017), Advanced piezoelectric materials, Woodhead Publishing Limited [15] Leif Bjørnø (2017), Applied Underwater Acoustics, 2017 Elsevier Inc [16] Pharatree Jaita, Chatchai Kruea-In and Gobwute Rujijanagul (2016), “ Influence of Al2O3 Nanoparticles’Incorporation on the Structure and Electrical Properties of Pb0.88Sr0.12Zr0.54Ti0.44Sb0.02O3 Ceramics”, Nanomater Nanotechnol, 2016, pp 6-27 download by : skknchat@gmail.com 55 [17] Piezoelectric-ceramics, MorganElectroCeramics, www.morganelectroceramics [truy cập ngày 01/04/2021] [18] Rahaman, M.N., (2017), Ceramic Processing, Taylor & Francis Group [19] Sheng-Yuan Chu, Te-Yi Chen, I-Ta Tsai, Walter Water (2004), “Doping effects of Nb additives on the piezoelectric and dielectric properties of PZT ceramics and its application on SAW device”, Sensors and Actuators A 113 (2004) 198–203 [20] Shunmin Hu, Guigui Peng, Deyi Zheng (2015), “Effects of Sb or Ba Addition on the Piezoelectric Properties of PZT ”, Applied Mechanics and Materials, vol 700 (2015) pp 121-124 [21] Soft PZT - CeramTec, http://www.ceramtec.com.[truy cập ngày 03/05/2021] [22] Volkan Kalem, Ibrahim Cam, Muharrem Timucin (2011), “Dielectric and piezoelectric properties of PZT ceramics doped with strontium and lanthanum”, Ceramics International 37 (2011) 1265–1275 [23] Walter Heywang, Karl Lubitz, WolframWersing (2008), Piezoelectricity Evolution and Future of a Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp.409 [24] Xu, Y., (1991), Ferroelectric materials and their applications, Elsevier Science Publisher, North – Holland, Tokyo-Paris-New York [25] Zak, A K., Jalalian, A., Hosseini,S M., Kompany, A., Shekoftennam, T., (2010), “ Effect of Y3+ and Nb5+ co-doping on dielectric and piezoelectric properties of PZT ceramics”, Materials Science-Poland, Vol 28, No 3, 707-708 [26] Zheng, H., Jones, N., Lee, W.E., Thomas, H., Reaney, I M., (2001), “ Effects of strontium substitution in Nb- doped PZT ceramics”, Journal of the European Ceramic Society, 21 (2001), 1371-1375 download by : skknchat@gmail.com P.1 PHỤ LỤC VỀ THÔNG SỐ ÁP ĐIỆN Các dạng mẫu áp điện Các ma trận đàn hồi – áp điện – điện môi gốm áp điện tương tự ma trận tương ứng vật liệu có cấu trúc mặt thoi lục giác Để xác định tính chất của gốm áp điện, mẫu gốm phải xử lý thành hình dạng khác nhau, bao gồm: đĩa trịn, hình trụ tiết diện vuông, dài, theo chuẩn IEEE IRE (ANSI/IEEE Std 176-1987) Các gốm phủ điện cực bạc hai bề mặt đối diện cần đo sau ủ nhiệt độ 5000C để tạo điện cực bám Các gốm tiếp tục phân cực 30kV/cm dầu cách điện cao áp, nhiệt độ 120 0C thời gian 30 phút Các áp điện sau đo hệ đo phân tích trở kháng tự động Hioki 3532 Theo chuẩn IEEE, gốm áp điện phân cực, xác định thơng số sau: - Các thông số áp điện: e11, e31, e33, e15, d31, d33, d15, g31, g33, g15, h31, h33, h15 - Các thông số đàn hồi: D D D D D E E E E E D , c 12 , c 13 , c 33 , c E44 , c 66 , c 11 , c 12 , c 13 , c 33 , c 44 , c 66 c 11 E D D D E E D D D s11E , s12E , s13E , s 33 , s 44 , s 66 , s11 , s12 , s13 , s 33 , s 44 , s 66 - Các thông số điện môi: T T S T T S 11 ,  33 , 11 ,  S33 , 11 , 33 , 11 , S33 - Hệ số liên kết điện cơ: kp, kt, k31, k33, k15 Để xác định thông số này, cần có số u cầu kích thước mẫu gốm áp điện nhằm ưu tiên kiểu dao động làm giảm đến tối đa kiểu dao động lại Tương ứng với dạng biến tử áp điện, thông số vật liệu xác định theo chuẩn áp điện IRE 1961 IEEE 1987 download by : skknchat@gmail.com P.2 Để mô tốt đặc trưng hoạt động biến tử, cần tạo nhóm dạng mẫu phù hợp để xác định ma sau: ma trận số điện môi [T(S)]; ma trận hệ số đàn hồi [sE]; ma trận số áp điện [d], [g]; hệ số liên kết điện ki hệ số phẩm chất Qm a Biến tử dạng đĩa (dao động theo phương bán kính): + Xác định điện dung CT tần số thấp (1kHz) điện dung CS tần T S số cao (10MHz), sau  33  33 tính theo cơng thức (1a) (1b):  33T = t.C T / A (1a)  33S = t.C S / A (1b) đây, t A chiều dày diện tích điện cực biến tử, 0 = 8,85A.10-12F/m số điện môi chân không + Theo chuẩn IEEE Std.176-1987, giá trị p,  xác định với độ xác cao cách sử dụng đa thức biểu diễn đại lượng E,  thành chuỗi lũy thừa có đối số rs, với hệ số cho trước Giá trị rs tỉ số tần số cộng hưởng nối tiếp bậc f s(1) tần số cộng hưởng nối tiếp bậc hai fs(2) rs = f s( 2) (2) f s (1) Các giá trị E,  tính tốn thơng qua đa thức có dạng:  = a + a1.rs + a rs2 + a rs3 + (3)  E = b + b1 rs + b rs2 + b rs3 + b rs4 + (4) Các tham số bj (i = 03; j = 04) tra từ chuẩn IEEE Std.1761987 Từ giá trị E, tính theo phương pháp từ giá trị tần số cộng hưởng fs, phản cộng hưởng fp phổ cộng hưởng áp điện theo bán kính, xác định hệ số liên kết điện theo bán kính kp E hệ số đàn hồi s11 theo công thức sau: download by : skknchat@gmail.com P.3 f s(n ) E c 33  = E 2..r .s11 (1 − ( E ) ) k 2p = J1 ( ) +  E − J1 ( ) − (5) (6) Với J1 () hàm Bessel bậc nhất, loại 1và:  =   f = .1 + fs fs  fp    (7) Đối với vật liệu áp điện mạnh, cơng thức tính kp viết gần sau: f (8) (f = fp – fs) k 2p  2,51 fp Trong trường hợp này, từ việc xác định thêm trở kháng ứng với tần số cộng hưởng R, điện dung tự hai điện cực áp điện, cịn tính tốn hệ số phẩm chất Qm vật liệu Đây thông số vật liệu quan trọng, nhằm đánh giá chất lượng khả ứng dụng thiết bị phát công suất vật liệu chế tạo Về mặt định nghĩa, Qm đại lượng đặc trưng cho “độ dốc” cộng hưởng dao động xung quanh tần số cộng hưởng Cơng thức tính Qm có dạng: Qm = = 2..f s R.C   f 2  2..f s R.C f 1 −  s     f p     (9) Trong đó, R = Zmin trở kháng áp điện tần số cộng hưởng, Cf điện dung tự hai điện cực áp điện b Biến tử dạng đĩa (dao động theo chiều dày): + Từ phổ cộng hưởng theo chiều dày xác định tần số cộng hưởng fs phản cộng hưởng fp hài bậc 1, 3, 5, Giá trị hệ số liên kết điện theo chiều dày kt tính theo cơng thức (10): download by : skknchat@gmail.com P.4  f −f   f k 2t = s (1) tan p (1) s (1)  2 f p (1) f p (1)   (10) E + Hệ số độ cứng c 33 xác định theo công thức (11): f p(n ) E c 33 n = 2.t (1 − k 2t ) (11) n = 1, 3, 5, t chiều dày mẫu c Biến tử hình trụ tiết diện hình vng (dao động theo chiều dọc): + Từ phổ cộng hưởng theo chiều dọc, xác định cặp tần số cộng hưởng phản cộng hưởng hài bậc 1,3,5, Giá trị hệ số liên kết điện theo chiều dọc k33 xác định theo công thức (12):  f −f   f k = s (1) tan  p (1) s (1)  2 f p (1) f p (1)   33 (12) với l chiều dài hình trụ D + Hệ số đàn hồi s 33 tính theo cơng thức (13): f p(n ) = n D 2.l .s33 n = 1, 3, 5, (13) d Biến tử dạng thanh, có phương phân cực vng góc với phương áp đặt điện trường đo (hình thành trạng thái dao động xoắn): + Xác định điện dung CT tần số thấp (1kHz) điện dung CS tần số T S cao (5MHz), sau 11 11 tính theo cơng thức (14) (15):  11T = t.C T / A (14)  11S = t.C S / A (15) đây, t A chiều dày điện tích điện cực biến tử + Từ phổ cộng hưởng dao động xoắn áp điện, xác định cặp tần số cộng hưởng phản cộng hưởng hài bậc 1,3,5, Giá trị hệ số liên kết điện xoắn k15 xác định theo công thức (16): download by : skknchat@gmail.com P.5  f −f   f k15 = s (1) tan p (1) s (1)  2 f p (1) f p (1)   (16) D + Hệ số đàn hồi s 44 tính theo cơng thức (17): f p(n ) = n 2.t .s D44 (17) n = 1, 3, 5, e Biến tử áp điện (dao động theo chiều ngang): + Từ phổ cộng hưởng dao động theo chiều ngang áp điện xác định tần số cộng hưởng fs phản cộng hưởng fp, hệ số liên kết điện theo chiều ngang k31 tính theo cơng thức (18):  f −f   f k = s (1) tan p (1) s (1)  2 f p (1) f p (1)   (18) 31 E + Trong trường hợp này, hệ số đàn hồi s11 cịn tính theo công thức (19): E s11 = (19) 4..f s2 l đó, l chiều dài áp điện Ngồi thơng số áp điện trên, thông số điện môi, áp điện khác tính theo cơng thức từ (20) đến (25): T 11 = ; T 11 T 33 = T 33 (20) S 11 = ; T 11 S33 = T 33 (21) T E ; d 31 = k 31  33 s11 g 31 = d 31 ; T  33 e31 = d 31.(c11E + c12E ) + d 33.c13E ; T E ; d 33 = k 33  33 s 33 g 33 = T d15 = k15 11 s E44 (22) g15 = d15 T 11 (23) e15 = d15 E c11 (24) d 33 ; T  33 E E e33 = 2.d 31.c13 + d 33.c33 ; download by : skknchat@gmail.com P.6 h 31 = S33.e31 h 33 = S33.e33 S h15 = 11 e15 (25) Các hệ số đàn hồi tính theo công thức từ (26) đến (28): s12E = − E s11E ; E D ); s 33 = s 33 (1 − k 33 E E E E E ( ) ( ) s 33 s11 + s12 s11 + s12 s = − E 2.c 33 (26) E 13 s E44 = s D44 (1 − k152 ); E D s 66 = 2.(s11E − s12E ) = s 66 (27) D E ); s11 = s11 (1 − k 31 s12D = s12E − d 31.g 31 ; s13D = s13E − d 33.g 31 (28) Các hệ số độ cứng tính theo công thức từ (29) đến (34): E E E ) s11 s 33 − (s13 c = E 11 (s E 11  E ) s33E (s11E + s12E ) − 2.(s13E ) − s12 E E E ) − s12 s33 + (s13  (29)  (30) c = E 12 E c13 = (s E 11  E ) s33E (s11E + s12E ) − 2.(s13E ) − s12 E − s13 E (s11E + s12E ) − 2.(s13E ) s 33 c E44 = ; ; s E44 E D c33 = c33 / (1 − k 2t ) E c 66 = D = c 66 E s 66 (31) (32) c11D = h 31.e31 + c11E ; c12D = h 31.e31 + c12E (33) c13D = h 31.e33 + c13E ; c D44 = h15.e15 + c E44 (34) Để xác định đầy đủ thông số hệ gốm, tơi chế tạo mẫu theo hình dạng kích thước phù hợp với chuẩn quốc tế áp điện Các mẫu tạo điện cực phân cực theo phương thích hợp nhằm thu kiểu dao động tương ứng Các hệ số liên kết điện k, hệ số độ cứng cijE ( D ) , hệ số đàn hồi S ijE ( D ) , hệ số áp điện dij, gij, tính dựa phổ cộng hưởng (đo thiết bị phân tích trở kháng tự động Agilent 4396B) cơng thức tính chuẩn quốc tế áp điện IEEE download by : skknchat@gmail.com ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT GỐM ÁP ĐIỆN MỀM TRÊN CƠ SỞ PZT PHA TẠP Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8440104... TS PHAN THANH HẢI download by : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất gốm áp điện mềm sở PZT pha tạp? ?? kết nghiên cứu. .. thông số áp điện cao [2] Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu liên quan đến hệ vật liệu CH3A dường cịn bỏ ngõ Vì vậy, tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất gốm áp điện mềm sở PZT pha tạp? ??