Báo cáo đề tài gốm áp điện

Báo cáo kỹ thuật gốm áp điện

Đại Học Quốc Gia Thành Phồ Hồ Chí Minh

Đại Học Bách Khoa - Khoa Công Nghệ Vật Liệu

-Môn Học: Kỹ Thuật Gốm Sứ

Đề Tài: Gốm Áp Điện

Mục Lục

Trang

I Giới thiệu tổng quan

Hiện tượng áp điện (piezoelectric phenomena) là một hiện tượng

được một nhà khoáng vật học người Pháp Charles Coulomb đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880 Hiện tượng xảy ra như sau: người

ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và

nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch là khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra dòng điện Nó như một máy biến đổi trực tiếp chuyển hóa từ điện năng sang cơ năng và ngược lại Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa

là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch :sẽ làm cho vật thay đổi kích thước tạo ra lực

Gốm áp điện:

-Gốm áp điện là những loại vật

liệu gốm có tính chất áp điện

như BaTiO3, PbTiO3, …

-Vật liệu gốm áp điện mới hơn

PZT (PbO-ZrO2-TiO3) là gốm

trên cơ sở dung dịch rắn trong hệ

PbZrO3 – PbTiO3 Tinh thể

PbZrO3 – PbTiO3 có tính chất áp

điện với ít nhất 3% PbTiO3 trong

thành phần Được phát hiện bởi

Yutaka Takagi Gen Shirane và

Etsuro Sawaguchi tại viện công

nghệ Tokyo (1952)

Gốm áp điện (PZT) hiện nay được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống Dựa vào hiệu ứng áp điện thuận và ngịch của nó người ta chế tạo

ra các cảm biến dung rtong 3 lĩnh vực sau:

Cảm biến thu phát sóng siêu âm trong các máy: dò độ sâu sông biển, dò khuyết tật trong kim loại và bê tông; máy liên lạc trong các tàu ngầm; máy phát điện và xác định toạ độ của các đối tượng di chuyển trong nước; các thiết bị khám và điều trị bệnh; các ngòi nổ áp điện

Trong vô tuyến dùng làm các bộ lọc tần số, bộ nhớ các máy tính điện

Gốm áp điện còn được nghiên cứu về tính quang điện tử dùng trong

kỹ thuật laze

 Đó là các tính chất kỳ diệu của gốm áp điện Xu hướng hiện nay là nghiên cứu gốm PZT chứa các phụ gia khác nhau nhằm tạo ra các vật liệu mới đáp các lĩnh vực ứng dụng trên

II Cấu trúc Perovskite và cơ sở lý thuyết

Dựa trên các phép đối xứng của các phần tử cấu tạo ( chuyển đổi vị trí và thay đổi định hướng, chúng ta có được 230 nhóm không gian cấu trúc Bỏ qua sự thay đổi lặp, 230 nhóm này có thể được phân thành 32 lớp, được gọi là 32 nhóm trọng tâm Các nhóm này chỉ phụ thuộc vào sự định hướng, được xác định bằng 3 trục tọa độ x,y,z trong không gian Trong 32 nhóm cấu trúc chính, 11 nhóm có đối xứng tâm và 21 nhóm không có tâm đối xứng, đây chính là những nhóm cần cho sự xuất hiện của hiện tượng áp điện Trong 21 nhóm đó thì có 20 nhóm là có thể có hiện tượng áp điện 10 nhóm trong đó xuất hiện hiện tượng cảm ứng phân cực khi có ứng suất nội tác động 10 nhóm còn lại thì có khả năng tự phân cực, do đó 10 nhóm này tồn tại lưỡng cực vĩnh cửu và có cả tính áp điện lẫn hỏa điện 32 nhóm này

có thể được chia thành 7 kiểu tinh thể, tuân theo những quy luật đối xứng Các tính chất áp điện, sắt từ, hỏa điện được phân lớp trong các kiểu tinh thể như bảng sau

Trong đó thì chúng ta cần chú ý nhất đến lớp cấu trúc Perovskite Nó được coi như lớp quan trọng nhất trong vật liệu lớp ferroelectric sắt từ Chúng ta có hàng trăm cách tổng hợp các cation để tạo ra cấu trúc Perovskte ABO3

Cấu trúc Perovskite

Vị trí các phần tử A 0,0,0

B 1/2,1/2,1/2

O ½,1/2,0 Trường hợp lý tưởng, mạng tinh thể của cấu trúc này dạng lập phương Nhưng thực tế, các yếu tố mạng lập phương chuyển sang dạng thoi, đơn tà…Các hợp chất sắt từ cấu trúc Perovskite điển hình như BaTiO3, NaNbO3, KNbO3 Các hợp chất như GdFeO3 kết tinh dạng thoi, BaCeO3 dạng đơn tà, LaCoO2 thoi…

Chúng ta có thể hiểu đơn giản tính áp điện như sau - các hợp chất có dạng cấu trúc này đều tự phân cực, và luôn xuất hiện trong cấu trúc những momen lưỡng cực Khi chúng ta áp vào chúng một điện trường lập tức các phần tử trong mạng tinh thể chuyển động, giãn ra và di chuyển, dẫn đến kích thước của vật liệu gốm áp điện tăng lên Điều tương tự xảy ra khi chúng ta làm ngược lại, tác dụng cơ học lên vật liệu áp điện, sinh ra những ứng suất nội tác động lên các phần tử cấu trúc, làm chúng chuyển động dẫn đến sinh ra dòng điện cảm ứng

Dưới đây là các hợp chất mang cấu trúc Perovskite, ta có thể chia làm 3 nhóm

TRỘN ĐỒNG NHẤT

PbO-TiO2-ZrO2

NGHIỀN ƯỚT Với ethanol

SẤY KHÔ 80C

S SÀNG RUNG

TẠO HÌNH (đúc, đùn)

Thêm chất kết dính hưu cơ

NUNG KẾT KHỐI 1200C-1300C

III Cách chế tạo và quy trình công nghệ cơ bản

Quy trình công nghệ ta có thể tóm gọn trong sơ đồ sau:

Cụ thể hơn ta gồm các công đoạn:

Chuẩn bị nguyên liệu bột – Nghiền và trộn: thường nghiền trộn

bằng phương pháp nghiền ướt trong

máy nghiền bi và sử dụng máy

nghiền rung để oxit tránh bị nhiễm

bẩn, thể tích nước phải đủ để đảm

bảo hỗn hợp ở dạng chảy lỏng,

thường là từ 100 – 200% thể tích

của bột, có thể thêm vào một số phụ

gia hoạt tính bề mặt để giảm lượng

nước khi nghiền Khâu trộn các ôxit

ta có thể thêm phụ gia để có các tính

chấ khác mà mình mong muốn.Thêm

vào acceptor dopants tạo ra lỗ trống

oxi (anion) tạo thành PZT cứng có

hằng số điện áp thấp nhưng làm giảm thiệt hại vật liệu, làm đầu dò siêu âm.Thêm vào donor dorpants tạo ra lỗ trống kim loại (cation) tạo thành PZT mềm có hằng số điện áp cao hơn PZT cứng nhưng lại thiệt hại lớn masat nội trong vật liệu, làm thiết bị truyền động, đầu dò trong viễn thám, điện năng thấp

Ta xử lý nguyên liệu theo tuần tự các quy trình: trộn oxit: trộn BaCO3

với TiO2 ở nhiệt độ khoảng 1100 độ C, kích thước hạt khoảng 1 micromet, sau đó là quá trình Oxalate giúp chúng ta có thể dễ điều chỉnh tỉ lệ Ba/Ti, tạo các bán tinh thể BT kích thước khoảng 10 micromet, tiếp tục xử lý Alkoxide: trộn Ba(OH)2 và Ti(C3H7O)4, dựa vào điều kiện cơ chế phản ứng, có thể tạo thành những đơn tinh thể kích thước 50nm Tổng hợp lớp nước hóa họa (Hydrothermal Synthesis): tạo các lớp điện môi kích thước bé hơn 3 micromet

Xử lý nhiệt trước khi nung (Calcination): tạo oxit hoạt tính,đảm

bảo độ đồng đều của phối liệu, sau đó nghiền lại thành bột rồi đem tạo hình

Tạo hình: có nhiều phương pháp tạo hình:

-Nén khô ( Dry-pressing)

-Nén đẳng tỉnh (Isostatic-pressing)

-Jolleying

-Đùn (Extrusion)

-Films and Layers

-Injection mouling

-Calendering and viscous polymer processing

-Slip casting

-Tape casting

Xử lý nhiệt độ cao, nung kết khối

Thường nung ở nhiệt độ khoảng 0.8Tnc, với Tnc là nhiệt độ nóng chảy của phối liệu, đây là giai đoạn quan trọng nhất, các cation sẽ khuếch tán vào các lổ trống, sai sót, tạo thành cấu trúc áp điện Tại giai đoạn nung kết khối vì tránh cho chì bay hơi làm thay đổi tỉ lệ chì trong hỗn hợp cần nung thiêu kết trong lò kín Mặc dù vậy vẫn tổn thất 2-3% chì so với ban đầu

III Các ứng dụng của gốm áp điện

Vật liệu áp điện là một lĩnh vực quan trọng của vật liệu chức năng trong vật liệu điện tử, nó chiếm một tỷ lệ lớn Trong những năm gần đây, áp điện sản phẩm trong doanh số bán hàng toàn cầu hàng năm tăng trưởng khoảng 15% Nhu cầu phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông tin, điện tử,

vi điện tử - điện tử công nghệ cao và cả trong lĩnh vực quân sự thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu và ứng dụng không ngừng của vật liệu áp điện

Một số ứng dụng của gốm áp điện:

1 ĐẦU DÒ SIÊU ÂM

Đầu dò là chủ yếu gồm những vật chất phù hợp với áp điện, và sao lưu các lớp Một hoặc nhiều lớp kết hợp được sử dụng để tăng âm thanh được truyền đi vào các mô, sao lưu được thêm vào phía sau của đầu dò nhằm giảm làn sóng trở lại âm thanh và để giảm thời gian xung

Vật liệu áp điện được sử dụng để tạo ra và phát hiện siêu âm

Đầu dò siêu âm chế tạo thiết bị tìm kiếm tàu ngầm và tìm kiếm cá

Ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự

Siêu âm dò quét rất hữu ích trong

ngành điện tử y tế cho lâm sàng các

ứng dụng khác nhau, từ chẩn đoán để

điều trị và phẫu thuật: dựa trên các lĩnh

vực siêu âm tiếng dội Đầu dò siêu âm

chuyển đổi năng lượng điện vào mẫu

cơ khí khi tạo một xung âm thanh và

chuyển đổi năng lượng cơ học thành tín

hiệu điện khi phát hiện sóng tán xạ

Những tiếng vang thay đổi cường độ

theo các loại mô hoặc cấu trúc cơ thể,

do đó tạo ra hình ảnh

Siêu âm là một trong những kỹ thuật

chẩn đoán hình ảnh an toàn nhất Nó không sử dụng ion hóa bức xạ như các tia X và do đó là thường xuyên được sử dụng cho hình ảnh thai nhi

và sản khoa Các khu vực hữu ích cho hình ảnh siêu âm bao gồm các cấu trúc tim, các mạch máu hệ thống, thai nhi và các cơ quan bụng như gan và thận

Tóm lại, nó có thể nhìn thấy bên trong cơ thể con người mà không vi

Một trong những ứng dụng rất cơ bản của gốm áp điện là làm bộ phận đánh lửa khí Điện áp cao trong gốm áp điện, dưới áp lực cơ khí

có thể gây ra tình trạng bắt lửa và bốc cháy khí Có hai điều kiện để ứng dụng lực cơ khí, hoặc bằng một ứng dụng bằng xung nhanh hoặc tăng dần dần, liên tục

2 THIẾT BỊ CẢM BIẾN

Gốm áp điện có thể được sử dụng như cảm biến ứng suất và cảm biến gia tốc, do hiệu ứng áp điện trực tiếp Có vai trò vô cùng to lớn trong công nghệ nghiên cứu vật liệu nano, cảm biến những thay đổi khoảng cách, lực vô cùng bé, chế tạo vật liệu từ, chế tạo các bảng mạch, vi mạch điện tử… có ý nghĩa vô cùng quan trọng không thể thay thế được trong ngành vật liệu điện tử ngày nay

Chế tạo cantillever cho các máy phân tích nano (AFM, STM……)

3 THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG

a Máy in

Máy in kim là sản phẩm đầu tiên thương mại hóa rộng rãi bằng cách

sử dụng gốm sứ thiết bị truyền động

Các yếu tố in bao gồm một thiết bị đa áp điện, trong đó 100 mỏng gốm tấm dày 100μmin được xếp chồng lên nhau, cùng với một độ phóng min được xếp chồng lên nhau, cùng với một độ phóng đại tinh vi (b) Đơn vị phóng đại dựa trên một nguyên khối bản lề đòn bẩy với một độ phóng đại của 30, kết quả là một thuyên khuếch đại của 0.5mm

và truyền năng lượng một hiệu quả lớn hơn 50%

b Động cơ piezo

Động cơ siêu âm được làm bằng piezoceramics có hiệu quả là không nhạy cảm với kích thước được cấp trên trong khu vực nhỏ có động cơ

Cấu tạo:

Động cơ piezo: gồm hai phần stator và rotor, được ép dính vào nhau.

Stator là một đĩa hoặc thanh kim loại có dán các miếng Piezo, còn rotor chỉ

là một đĩa hoặc thanh kim loại (tùy loại động cơ thẳng hay tròn).Năng lượng điện làm biến đổi hình dạng của các mẩu piezo tạo thành sóng cơ học trên stator, sóng này sẽ đẩy rotor chuyển động xoay tròn hay thẳng

Động cơ siêu âm có những điểm giống và khác biệt so với động cơ thông thường đang sử dụng như sau:

Giống nhau: Cùng là loại động cơ điện, biến điện năng thành cơ năng,

chuyển động xoay tròn hoặc đi thẳng

Khác nhau cơ bản: Động cơ điện đang dùng hiện nay dùng nguyên lí điện

từ, phát từ bởi các cuộn dây quấn quanh lõi thép và từ đó stator đẩy rotor

gây moment lực cơ Động cơ siêu gồm hai phần stator và rotor, được ép

dính vào nhau Stator là một đĩa hoặc thanh kim loại có dán các miếng

Piezo, còn rotor chỉ là một đĩa hoặc thanh kim loại (tùy loại động cơ thẳng hay tròn)