TỔNG HỢP GỐM ÁP ĐIỆN KALI NATRI NIOBAT (KxNa1-x)NbO3 (0 < x < 1)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  Bùi Duy Hùng TỔNG HỢP GỐM ÁP ĐIỆN KALI NATRI NIOBAT (KxNa1-x)NbO3 (0 < x < 1) CHUYÊN NGÀNH : HOÁ VÔ CƠ MÃ SỐ: 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  Bùi Duy Hùng TỔNG HỢP GỐM ÁP ĐIỆN KALI NATRI NIOBAT (KxNa1-x)NbO3 (0 < x < 1) CHUYÊN NGÀNH : HOÁ VÔ CƠ MÃ SỐ : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐỨC VĂN Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Bản luận văn thực phòng Vật liệu vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam với tài trợ phần từ đề tài nghiên cứu bản, mã số 103.02-2011-06 quĩ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) Với lòng biết ơn sâu sắc, chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Đức Văn giao đề tài luận văn nhiệt tình giúp đỡ, bảo cho kiến thức quý báu trình nghiên cứu làm thực nghiệm Đồng thời, Tôi xin chân thành cảm ơn nghiên cứu viên, cán phòng Vật liệu Vô cơ, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ trình làm thực nghiệm đánh giá kết thực nghiệm Tôi xin cảm ơn thầy cô, cán bộ, nhân viên, bạn học viên, sinh viên môn Hóa Vô Khoa Hóa học, Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập làm luận văn thạc sĩ Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Kí tên Bùi Duy Hùng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố công trình khác Tác giả MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng áp điện 1.2 Vật liệu áp điện ứng dụng 1.3 Vật liệu áp điện không chứa chì 1.3.1 Tiềm vật liệu áp điện không chứa chì 1.3.2 Vật liệu áp điện không chứa chì (KxNa1-x)NbO3 (0 < x < 1) 11 1.4 Các phương pháp tổng hợp gốm áp điện không chứa chì KNN 13 1.4.1 Phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống 13 1.4.2 Phương pháp nghiền lượng cao 14 1.4.3 Phương pháp thủy nhiệt 14 1.4.4 Phương pháp sol-gel 16 1.5 Các phương pháp nghiên cứu gốm áp điện không chứa chì KNN 17 1.5.1 Phương pháp phân tích phổ Raman 17 1.5.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 17 1.5.3 Phương pháp phân tích nhiệt 19 1.5.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 20 1.5.5 Phương pháp đo phổ tán xạ lượng (EDS) 21 1.6 Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn 21 1.6.1 Mục tiêu luận văn 21 1.6.2 Các nội dung nghiên cứu luận văn 22 CHƯƠNG - THỰC NGHIỆM 23 2.1 Hóa chất thiết bị 23 2.1.1 Hoá chất 23 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 23 2.2 Điều chế Nb2O5.xH2O dạng vô định hình 24 2.3 Điều chế dung dịch phức niobi – tactrat 25 2.4 Tổng hợp KNN phương pháp thủy nhiệt 25 2.5 Tổng hợp KNN phương pháp sol -gel 27 2.6 Nghiên cứu đặc tính, cấu trúc vật liệu 28 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Tổng hợp vật liệu áp điện KNN phương pháp thủy nhiệt 31 3.1.1 Các dạng thù hình chất đầu vào Nb2O5 sử dụng cho phản ứng thủy nhiệt 31 3.1.2 Tổng hợp vật liệu KNN phương pháp thủy nhiệt sử dụng chất đầu vào Nb2O5.xH2O dạng vô định hình 33 3.1.3 Sự phụ thuộc cấu trúc tinh thể KNN lên dạng thù hình chất đầu vào niobi pentaoxit 38 3.1.4 Ảnh hưởng tỉ lệ mol KOH/NaOH sản phẩm phản ứng thủy nhiệt tổng hợp KNN trực thoi 39 3.1.5 Ảnh hưởng nhiệt độ tới phản ứng thủy nhiệt tổng hợp KNN trực thoi 45 3.2 Tổng hợp vật liệu áp điện KNN trực thoi phương pháp sol-gel 51 3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung lên thành phần KNN 51 3.2.2 Ảnh hưởng tỉ lệ tác nhân tạo gel / kim loại lên thành phần KNN 54 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DSC : Phương pháp phân tích nhiệt lượng vi sai quét EDS : Phương pháp phân tích phổ tán xạ lượng KN : Kali niobat KNbO3 KNN : Kali natri niobat (KxNa1-x)NbO3 (0 < x < 1) NN : Natri niobat NaNbO3 PZT : Chì ziriconi titanat SEM : Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét TGA : Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng XRD : Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Danh sách hình Chương – Tổng quan Tr Hình 1.1 Sơ đồ mô tả hiệu ứng áp điện nghịch Hình 1.2 Ô mạng sở PZT Hình 1.3 Giản đồ pha PZT Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị chuyển đổi xung – điện siêu âm Langevin Hình 1.5 Ô mạng sở gốm áp điện không chứa chì có cấu trúc perovskit 10 Hình 1.6 Các đa diện phối trí ion Na+/K+ Nb5+ KNN hệ tinh thể: a) mặt thoi b) trực thoi 12 Hình 1.7 Sơ đồ mô tả thiết lập phương trình Bragg 18 Chương – Thực nghiệm Hình 2.1 Sơ đồ qui trình điều chế Nb2O5 vô định hình 24 Hình 2.2 Sơ đồ quy trình điều chế KNN phương pháp thủy nhiệt 26 Hình 2.3 Thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt sử dụng luận văn 27 Hình 2.4 Sơ đồ qui trình điều chế bột gốm KNN phương pháp sol–gel 28 Hình 2.5 Thiết bị đo nhiễu xạ tia X Siemens D5000 29 Hình 2.6 Thiết bị quang phổ Raman Labram – 1B 29 Hình 2.7 Thiết bị phân tích nhiệt Labsys Evo 30 Chương – Kết thảo luận Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X dạng thù hình Nb2O5: a) Nb2O5.xH2O vô định hình; b) Nb2O5 Aldrich; c) Nb2O5 BDH 31 Hình 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt Nb2O5.xH2O vô định hình 32 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ nguồn Nb2O5.xH2O vô định hình nhiệt độ thủy nhiệt: 180oC; 200oC; 220oC 230oC 34 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN chế tạo từ Nb2O5.xH2O vô định hình với tỉ lệ mol KOH/NaOH khác nhiệt độ thủy nhiệt 180oC 35 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN chế tạo từ Nb2O5.xH2O vô định hình với tỉ lệ chất đầu vào KOH/NaOH khác nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 36 Hình 3.6 Phổ Raman mẫu KNN mặt thoi đơn pha 37 Hình 3.7 Phổ Raman mẫu sản phẩm KNN trực thoi đơn pha 37 Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ nguồn Nb2O5 khác điều kiện thủy nhiệt 200oC: a) Nb2O5.xH2O vô định hình; b) Nb2O5 BDH; c) Nb2O5 Aldrich; d) Nb2O5 đơn tà 39 Hình 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ Nb2O5.xH2O vô định hình nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 40 Hình 3.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ Nb2O5 Aldrich nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 41 Hình 3.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ Nb2O5 BDH nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 43 Hình 3.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ Nb2O5 Aldrich nhiệt độ thủy nhiệt 220oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 46 Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ Nb2O5 Aldrich nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 46 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ Nb2O5 BDH nhiệt độ thủy nhiệt 220oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 47 Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN điều chế từ Nb2O5 BDH nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 47 Hình 3.16 Phổ EDS mẫu KNN điều chế từ a) Nb2O5 Aldrich b) Nb2O5 BDH với tỷ lệ mol KOH/NaOH = 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 49 Hình 3.17 Ảnh SEM mẫu KNN điều chế từ a) Nb2O5 Aldrich b) Nb2O5 BDH với tỷ lệ mol KOH/NaOH = 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 50 Hình 3.18 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel khô điều chế từ phức niobi – tactrat với tác nhân tạo gel axit tactric 51 Hình 3.19 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu gel khô điều chế từ dung dịch phức niobi – tactrat với tác nhân tạo gel axit xitric 52 Hình 3.20 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu điều chế từ niobi – tactrat với tác nhân tạo gel axit xitric nhiệt độ khác 53 Hình 3.21 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu điều chế từ niobi – tactrat với tác nhân tạo gel axit tactric nhiệt độ khác 53 Hình 3.22 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu điều chế từ niobi – tactrat với tỷ lệ axit xitric / kim loại khác 54 Hình 3.23 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu điều chế từ niobi – tactrat với tỷ lệ axit tactric / kim loại khác 550oC 55 Hình 3.24 Ảnh SEM mẫu KNN tổng hợp phương pháp sol-gel từ phức niobi-tactrat 57 Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 -KẾT LUẬN - Đã khảo sát yếu tố ảnh hưởng dạng thù hình chất đầu vào Nb2O5 tới thành phần pha, cấu trúc hình thái sản phẩm vật liệu áp điện không chứa chì (KxNa1-x)NbO3 (0 < x < 1) hay KNN tổng hợp phương pháp thủy nhiệt Nếu Nb2O5.xH2O dạng vô định hình ảnh hưởng lên cấu trúc tinh thể KNN với kết tạo pha KNN dạng mặt thoi đơn pha việc sử dụng Nb2O5 dạng thù hình trực thoi Nb2O5 dạng thù hình đơn tà ảnh hưởng đến nhiệt độ thuỷ nhiệt kích thước hạt trung bình sản phẩm KNN dạng trực thoi - Đã tìm qui trình ổn định tổng hợp vật liệu KNN dạng mặt thoi đơn pha từ nguồn Nb2O5.xH2O dạng vô định hình với tỉ lệ mol chất đầu KOH/NaOH từ đến 5, tỉ lệ OH-/Nb2O5 = 12/1, nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 24 - Đã tìm qui trình ổn định tổng hợp KNN dạng trực thoi đơn pha từ nguồn Nb2O5 kết tinh với tỉ lệ mol chất đầu KOH/NaOH = 6/1, tỉ lệ OH-/Nb2O5 = 24/1, nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 Đối với trường hợp sử dụng chất đầu vào Nb2O5 dạng thù hình đơn tà sản phẩm thu nano tinh thể KNN với kích thước hạt trung bình cỡ 100nm Trong với chất đầu vào Nb2O5 dạng thù hình trực thoi, kích thước hạt trung bình lớn cỡ 0,5µm Vật liệu thu có tỉ lệ nguyên tố K/Na nằm khoảng cho phẩm chất áp điện tốt tổng hợp thành gốm có mật độ cao - Đã tìm qui trình tổng hợp KNN trực thoi để tổng hợp KNN trực thoi phương pháp sol-gel sử dụng axit tactric làm tác nhân hòa tan Nb2O5.xH2O dạng vô định hình làm chất đầu vào - Đã thu sản phẩm KNN trực thoi đơn pha có kích thước nanomet (cỡ 20-30 nm) có khả tổng hợp gốm cho phẩm chất áp điện cao phương pháp sol-gel với điều kiện: sử dụng chất đầu dung dịch phức niobi – tactrat điều chế cách hòa tan Nb2O5.xH2O dạng vô định hình dung dịch axit tactric với tỉ lệ mol axit tactric/niobi pentaoxit 5/1, tỉ lệ mol K+/Na+ = 1/1, tỉ lệ mol kim loại kiềm (K, Na)/niobi 1/1, nhiệt độ nung gel 550oC 59 Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 -TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Vũ Đăng Độ (2004), Các phương pháp vật lý hóa học, NXB ĐHQGHN Nguyễn Hoàng Nghị (2002), Lý thuyết nhiễu xạ tia X , Nhà xuất giáo dục Hà Nội Nguyễn Đình Triệu (2000), Các phương pháp phân tích vật lý hóa lý, Tập I, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đức Văn, Vũ Hồng Kỳ, Lê Quốc Minh (2011), “Nghiên cứu đặc tính cấu trúc (K0,5Na0,5)NbO3 dạng thù hình mặt thoi chế tạo phương pháp thủy nhiệt”, Tạp chí Hóa học, T.49 (3A), Tr 209-215 Tài liệu tiếng Pháp Jacques and Pierre Curie (1880) “Dévelopment par compression de l’électricité polaire dans les cristaux hémièdres faces inclinées”, Bulletin de la Société minérologique de France, 3, pp 90–93 Lippman, G (1881) “Principe de la conservation de l'électricité” Annales de chimie et de physique, 24, pp 145 Tài liệu tiếng Anh Bai L., Zhu K., Su L., Qiu J., Ji H (2010), “Synthesis of (K, Na)NbO3 particles by high temperature mixing method under hydrothermal conditions”, Materials Letters, 64, pp.77-79 Bomlai P., Wichianrat P., Muensit S., Milne S J (2007), “Effect of calcination conditions and excess alkali carbonate on the phase formation and particle morphology of Na0.5K0.5NbO3 powders”, Journal of the American Ceramic Society, 90, pp 1650-1655 Brandão R F., Quirino R L.,Mello V M.,Tavares A P., Peres A C (2009), “Synthesis, characteriztion and use of Nb2O5 based Catalysts in Producing 60 Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 -Biofuels by Transesterification, Esterification and Pyrolysis”, Journal of Brazilian Chemistry Society, 20 (5), pp 954-966 10 Camargo E R., Kakihana M (2001), “Chemical Synthesis of Lithium Niobate Powders (LiNbO3) Prepared from Water-Soluble DL-Malic Acid Complexes”, Chemistry Materials, 13, pp 1905-1909 11 Canxiong G., Zaihu Q (1993), “Acidic and catalytic properties of niobic acid crystallized at low temperature”, Catalysis Today, 16, pp 376-385 12 Cao Yang, Zhu Kongjun, Zheng Hongjuan, Qiu Jinhao, Gu Honghui (2012) “Synthesis of potassium sodium niobate powders using an EDTA/citrate complexing sol – gel method”, Particuology, 10, pp 777-782 13 Chowdhury A., Bould J., Zhang Y., James C., Milne S J (2010), “Nano powders of Na0.5K0.5NbO3 made by sol-gel method”, Journal of Nanoparticles Researching, 12, pp 209-215 14 Devemy S., Courtois C., Champagne P Champagne, Lippert M., Moreau G., Petit F., Leriche A (2009),”Textured PZT ceramics”, Powder Technology, 190 (1), pp 141-145 15 Europe Union, Restriction of Hazardous Substances Directive, có hiệu lực từ năm 2006 16 Fuchs J (2012), Ultrasonics – Transducers –Piezoelectric Hardware, Online at http://www.ctgclean.com, Cleaning Technologies Group 17 Gupta S., Maurya D., Yan Y., Priya S (2012), “Development of KNN-Based Piezoelectric Materials”, Lead-Free Piezoelectrics, Springer, New York 18 Haerling Gene H (1999), “Ferroelectric Ceramics: History and Technology”, Journal of the American Ceramic Society, 82 (4), pp 797-818 19 Handoko Albertus D., Goh Gregory K L (2010), “Hydrothermal synthesis of sodium potassium niobate solid solutions at 200 °C” , Green Chemistry, 12, pp 680-687 61 Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 -20 Hao J., Xu Z., Chu R., Zhang Y., Chen Q., Fu P., Li W., Li G., Yin Q (2010), “Characterization of (K0.5Na0.5)NbO3 powders and ceramics prepared by a novel hybrid method of sol–gel and ultrasonic atomization”, Materials and Design, 31, pp 3146-3150 21 Heywang W., Lubitz K.,Wersing W (2005), Piezoelectricity: Evolution and Future of a Technology, Springer, Heidelberg 22 Jaeger R E., Egerton L (1962), “Hot pressing of potassium sodium niobates”, Journal of the American Ceramic Society, 45, 209-213 23 Jaffe B., Cook W., Jaffe, H C (1971), Piezoelectric Ceramics, Academic Press New York 24 Kao K C (1960) Dielectric phenomena in solids, Oxford University Press 25 Li H (June 2008), Sodium Potassium Niobate-based Lead-free Piezoelectric Ceramics: Bulk and Freestanding Thick Film, PhD thesis, Drexel University (3141 Chestnut St Philadelphia, PA 19104, USA) 26 Lv Y G., Wang C L., Wu L., Zhao M L., Xu J P (2009), “Tantalum influence on physical properties of (K0.5Na0.5)(Nb1−xTax)O3 ceramics”, Materials Research Bulletin, 44, 284-287 27 Matsubara M , Yamaguchi T., Kikuta K., Hirano S.I (2004), “Sinterablility and Piezoelectric Properties of (K,Na)NbO3 Ceramics With Novel Sintering Aid”, Japanese Journal of Applied Physics, 43, pp 7159-7163 28 Nettleton R E (1970), Ferroelectrics 1970 , 2, pp 87 29 Nguyen Duc Van (2013), “Direct Synthesis of (K0.5Na0.5)NbO3 Powders by Mechanochemical Method”, Advances in Materials Science and Engineering, accepted 17 July 2013, Article ID 230216, pages 30 Nye J F (1960), Physical Properties of Crystals, Oxford University Press, Oxford 31 Rödel J., Jo W., Seifert K T P Seifert, Anton E-M, Granzow T., Damjanovic D (2009), “Perspective on the Development of Lead-free Piezoceramics”, Journal 62 Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 -of American Ceramic Society , 92 (6), pp 1153-1177 32 Shindo Y., Narita Fumio (2012), “Piezomechanics in PZT Stack Actuators in Cryogenic Gas Injectors”, Smart Actuation and Sensing System – Recent Advances and Future Challenges, Published online at www.intechopen.com 33 Smith C.S (1958), Macroscopic Symmetry and Properties of Crystals, Academic Press New York 34 Smolenski G A., Isupov V A., Agranovskaya A I., Krainik N N (1961), “New ferroelectrics of complex composition”, Soviet Physics Solid State, 2, pp 2651-2654 35 Takenaka T., Nagata H (2005), “Current status and prospects of lead-free piezoelectric ceramics”, Journal of the European Ceramic Society, 25, pp 2693 - 2700 36 Takenaka T., Nagata H., Hiruma Y., Yoshii Y., Matumoto K (2007), “Lead-free piezoelectric ceramics based on Perovskite structures”, Journal of Electroceramics, 19, pp 259-265 37 Tanabe, K (1987), “Niobic acid as an ususual acidic solid material”, Materials Chem Phys., 17, pp 217-225 38 Uchino K (2000), Ferroelectric Devices, Marcel Decker, Inc New York 39 Wang C., Hou Z-D., Ge H-Y., Zhou M-K., Wang H., Yan H (2008), “Sol–gel synthesis and characterization of lead-free LNKN nanocrystalline powder”, Journal of Crystal Growth, 310, pp 4635-4639 40 Wang D ; Fotinich Y.; Carman G P (1998), “Influence of temperature on the electromechanical and fatigue behavior of piezoelectric ceramics”, Journal of Applied Physics, 83, pp 5342-5346 41 Wang H., Zuo R., Fu J., Liu J (2011) “Sol-gel derived (Li, Ta, Sb) modified sodium potassium niobate ceramics: Processing and piezoelectric properties”, Journal of Alloys and Compounds, 509, pp 936-941 63 Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 -42 Wu L., Zhang J L., Wang L., Li J C (2008), “Influence of compositional ratio K/Na on physical properties in (KxNa1-x)NbO3 ceramics”, Journal of Applied Physics, 103 (8), pp 084116 43 Ye Z-G (Ed) (2008), Handbook of Advanced Dielectric, Piezoelectric and Ferroelectric Materials Synthesis, Properties and Applications, CRC Press, New York 44 Zhang C., Haijun L V., Guo M., Zhang M., Wang X (2008), “Thermodynamic evaluation and hydrothermal preparation of KxNa1−xNbO3”, Rare Metals, 27, pp 371-377 45 Zhang F., Han L , Bai S., Sun T , Karaki T., Adachi M (2008), “Hydrothermal Synthesis of (K,Na)NbO3 Particles”, Japanese Journal of Applied Physics, 47 (9), pp 7685-7688 46 Zhang G., He F., Zou X., Gong J., Tu H., Zhang H., Zhang Q., Liu Y (2007), “Hydrothermal synthesis and photocatalytic property of KNb3O8 with nanometer leaf-like network” , Journal of Alloys and Compounds, 427, pp 8286 47 Zhang S., Xia R., Shrout T R (2007), “ Lead-free piezoelectric ceramics vs PZT ?”, Journal of Electroceramics, 19, pp 251-257 48 Zworykin V A., Hillier J, Snyder R L (1942), “A scanning electron microscope”, ASTM Bulletin, 117, pp 15–23 Tài liệu trực tuyến 49 http://www.cosmic-energy.org/?page_id=771 50 http://www.physikinstrumente.com/en/primages/pi_pztcell_d4c_O.jpg 64 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Giản đồ nhiễu xạ tia X dạng thù hình Nb2O5: a) Nb2O5.xH2O vô định hình; b) Nb2O5 Aldrich; c) Nb2O5 BDH Phụ lục 2: Giản đồ phân tích nhiệt Nb2O5.xH2O vô định hình Phụ lục 3: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ nguồn Nb2O5.xH2O vô định hình nhiệt độ thủy nhiệt: 180oC; 200oC; 220oC 230oC Phụ lục 4: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5.xH2O vô định hình với tỉ lệ mol KOH/NaOH khác nhiệt độ thủy nhiệt 180oC Phụ lục 5: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5.xH2O vô định hình với tỉ lệ mol KOH/NaOH khác nhiệt độ thủy nhiệt 200oC Phụ lục 6: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ nguồn Nb2O5 khác điều kiện thủy nhiệt 200oC a) Nb2O5.xH2O vô định hình; b) Nb2O5 BDH; c) Nb2O5 Aldrich; d) Nb2O5 đơn tà Phụ lục 7: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5.xH2O vô định hình nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 Phụ lục 8: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5 Aldrich nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 Phụ lục 9: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5 BDH nhiệt độ thủy nhiệt 200oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1;6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 Phụ lục 10: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5 Aldrich nhiệt độ thủy nhiệt 220oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 24/1 Phụ lục 11: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5 Aldrich nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 24/1 Phụ lục 12: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5 BDH nhiệt độ thủy nhiệt 220oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 24/1 Phụ lục 13: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5 BDH nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 với tỉ lệ mol KOH/NaOH: 2/1; 3/1; 4/1; 6/1 tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 24/1 Phụ lục 14: Ảnh SEM phổ EDS mẫu KNN tổng hợp từ Nb2O5 Aldrich (trái) Nb2O5 BDH (phải) với tỉ lệ mol KOH/NaOH = 6/1, tỉ lệ mol OH-/Nb2O5 = 24/1 nhiệt độ thủy nhiệt 230oC 24 Phụ lục 15: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu điều chế từ niobi – tactrat với tác nhân tạo gel axit xitric nhiệt độ khác Phụ lục 16: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu tổng hợp từ niobi – tactrat với tác nhân tạo gel axit tactric nhiệt độ khác Phụ lục 17: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu tổng hợp từ niobi – tactrat với tỉ lệ axit xitric / kim loại khác 550oC Phụ lục 18: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu tổng hợp từ niobi – tactrat với tỉ lệ axit tactric / kim loại khác 550oC [...]... bằng hai phương pháp thủy nhiệt và phương pháp sol – gel đều từ nguồn niobi pentaoxit và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên sản phẩm thu được, chúng tôi đề xuất đề tài: Tổng hợp gốm áp điện kali natri niobat (KxNa1 -x) NbO3 (0 < x < 1) 2 Luận văn thạc sĩ khoa học Bùi Duy Hùng – K22 -CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng quan... thế PZT và trong số đó gốm kali natri niobat (KxNa1 -x) NbO3 (0 < x < 1) hay KNN được chú ý hơn cả do có phẩm chất áp điện tốt và không độc hại Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất hiện nay đối với vật liệu KNN xuất hiện ngay ở khâu tổng hợp vật liệu Cụ thể, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống, một phương pháp thường được sử dụng trong tổng hợp vật liệu gốm ở cả qui mô phòng... cải thiện mật độ của hệ vật liệu này [22, 34, 36] 1.3.2 Vật liệu áp điện không chứa chì (KxNa1 -x) NbO3 (0 < x < 1) Kali natri niobat (KxNa1 -x) NbO3 (0 < x < 1) hay còn được gọi là KNN có nhiệt độ Curie cao ~ 400oC, phẩm chất áp điện tốt là một sự lựa chọn thay thế PZT sáng giá [22, 34, 35] Có thể coi KNN là một dung dịch rắn của pha phản sắt điện NaNbO3 (NN) và pha KNbO3 (KN) Sự chuyển pha của KN gần như... thứ II, vật liệu sắt điện được phát hiện và hiện tượng sắt điện (ferroelectricity) là cơ sở tạo ra bước tiến lớn cho ngành tổng hợp vật liệu áp điện khi mà lần đầu tiên người ta có thể tổng hợp được gốm áp điện đa tinh thể Vật liệu sắt điện có khả năng phân cực điện tự phát mà chiều của phân cực điện đó có thể bị đảo ngược bởi một điện trường bên ngoài Điều này cho phép tổng hợp gốm đa tinh thể bao... tập trung vào việc nghiên cứu, tổng hợp gốm áp điện kali natri niobat (KxNa1 -x) NbO3 (0 < x < 1) bằng phương pháp thủy nhiệt và phương pháp sol-gel với các mục tiêu cụ thể sau: - Khảo sát ảnh hưởng của các dạng thù hình của chất đầu vào Nb2O5 và khảo sát các điều kiện thủy nhiệt chủ yếu như tỉ lệ các chất đầu vào, nhiệt độ thủy nhiệt nhằm đưa ra qui trình tối ưu tổng hợp KNN đơn pha cho từng loại chất... được áp dụng để tổng hợp KNN sẽ được lần lượt giới thiệu 1.4.1 Phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống Cũng như nhiều các loại vật liệu gốm khác, người ta mong muốn tổng hợp được gốm áp điện không chứa chì KNN bằng phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống do các ưu điểm là đơn giản và có khả năng cho tổng hợp mẻ lớn phục vụ cho cả qui mô phòng thí nghiệm lẫn qui mô công nghiệp Qui trình tổng hợp gốm. .. liệu áp điện không chì KNN, phương pháp phân tích phổ Raman được sử dụng để x c định, nghiên cứu đặc trưng của các bát diện liên kết NbO6 trong dạng thù hình mặt thoi hay trực thoi của sản phẩm KNN 1.5.2 Phương pháp nhiễu x tia X (XRD) Phương pháp nhiễu x tia X, viết tắt là XRD (X- ray Diffraction) là phương pháp được sử dụng phổ biến để phân tích cấu trúc vật rắn kết tinh Nguyên lý của phương pháp... [44]) trở xuống - Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp tổng hợp gốm áp điện không chứa chì KNN bằng phương pháp sol-gel như: tác nhân tạo gel, tỉ lệ lượng tác nhân tạo gel / kim loại (K, Na, Nb), nhiệt độ nung gel - Sử dụng một số phương pháp hóa lý hiện đại để nghiên cứu đặc tính, tính chất của sản phẩm như: phương pháp phân tích nhiệt (TGA và DSC), phương pháp nhiễu x tia X (XRD),... đối x ng Cũng cần phải nói thêm rằng điều kiện cần để một vật liệu sở hữu một hiệu ứng thuộc tính tenxơ giống như hiệu ứng áp điện là cấu trúc tinh thể của nó phải không có tâm đối x ng [24] Bản thân hiệu ứng áp điện có liên quan mật thiết đến sự xuất hiện của các momen lưỡng cực điện bên trong vật liệu Ở điều kiện bình thường, điện tích âm và điện tích dương trong tinh thể vật liệu áp điện được sắp x p... của vật liệu Tâm điện tích dương Nén Tâm điện tích âm Điện trường ngoài Kéo giãn Hình 1.1 Sơ đồ mô tả hiệu ứng áp điện nghịch [49] 1.2 Vật liệu áp điện và ứng dụng Hiện tượng áp điện được phát hiện lần đầu tiên trong các tinh thể có sẵn trong tự nhiên như thạch anh và tuamalin nhưng cho đến ngày nay, ngày càng có nhiều tinh thể và gốm nhân tạo thể hiện tính chất áp điện Hiệu ứng áp điện được sử dụng