ỨNG DỤNG GỐM ÁP ĐIỆN

LỜI MỞ ĐẦU Trong cách mạng khoa học công nghệ nay, ngành Khoa học Vật liệu nói chung Vật liệu Điện tử nói riêng đóng vai trị quan trọng Trong q trình phát triển mình, ngành Vật liệu Điện tử đóng góp lớn cho phát triển chung giới, tạo sản phẩm chất lượng cao, có nhiều ứng dụng, đặc biệt chế tạo vật liệu cho ngành kỹ thuật mũi nhọn điện tử, hàng không, du hành vũ trụ, lượng nguyên tử v.v Trong năm gần đây, có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố với tính chất vật lý lý thú hệ vật liệu khác nhau, mở triển vọng ứng dụng to lớn hiệu ứng điện - từ - quang, số có vật liệu áp điện Các vật liệu áp điện tìm thấy ứng dụng vào ngành khoa học kỹ thuật từ năm 40 kỷ XVIII Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật sản phẩm gốm áp điện ngày trở nên phong phú, đa dạng sử dụng nhiều lĩnh vực như: kinh tế, khoa học kỹ thuật, quân sự… I LỊCH SỬ PHÁT MINH HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN Năm 1980 nghiên cứu tinh thể hỏa điện ( pyroelectric), hai anh em Curie Jacques Pierre Curie tình cờ phát hiện tượng sau: bề mặt số tinh thể hỏa điện có ứng suất tác dụng xuất điện tích.Về mặt định lượng xác định độ lớn điện tích tỉ lệ với ứng suất tác dụng Năm 1881 sở nghiên cứu nhiệt động hiệu ứng áp điện, trường biến đổi tác dụng lên bề mặt vật liệu làm biến dạng mạng tinh thể Các đặc tính vật liệu gọi tính áp điện ( piezoeelectricity ) áp suất điện ( pressure electriccity) Mặc dù tính áp điện tìm thấy nhiều vật liệu tự nhiên có cấu trúc tinh thể thạch anh, tourmalin, muối Rochelle, nhiên vật liệu áp điện thường đưa ứng dụng vào thực tế phần lớn vật liệu gốm Trái với tinh thể áp điện, gốm áp điện vật liệu đa tinh thể có đặc tính bật như: bền, dễ chế tạo, nhiệt độ làm việc cao, thay đổi tính chất vật liệu thơng qua việc điều khiển chế độ công nghệ, loại tạp nồng độ tạp II CẤU TẠO VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA GỐM ÁP ĐIỆN QUY TRÌNH CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN Quá trình chế tạo gốm áp điện sản xuất gốm thông thường, điểm khác biệt là cơng đoạn phân cực nhằm tạo tính chất áp điện gốm NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG : Hiện tượng xảy sau: người ta tìm loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) có hai hiệu ứng thuận nghịch áp vào trường điện biến đồi hình dạng ngược lại dùng lực học tác động vào tạo dịng điện Nó máy biến đổi trực tiếp chuyển hóa từ điện sang ngược lại Nếu theo chiều hướng thuận, có nghĩa tác dụng lực lên vật sinh điện ngược lại áp điện nghịch :sẽ làm cho vật thay đồi kích thước tạo lực III MỘT SỐ ỨNG DỤNG MÁY DÒ CÁ a Giới thiệu Dựa vào nguyên lý lan truyền sóng âm môi trường vật chất đàn hồi Người ta chế tạo thiết bị dị tìm đàn cá mơi trường nước Máy dị cá phương pháp siêu âm thiết bị chuyên dùng nghề khai thác thủy sản để dò tìm đàn cá nước Máy dị cá hoạt động tần số lớn 20KHz b Cấu tạo chung Máy dò siêu âm lắp tàu có sơ đồ tống qt hình a) Khối đồng bộ: có nhiệm vụ tạo xung điện chuẩn để điều khiển toàn máy hoạt động nhịp nhàng Trong thời gian phát xung điện siêu âm, mạch thu bị cấm, phần thị thể kết lưu lần đo trước Khi xung phát kết thúc, xung đồng mở mạch thu, xử lý thị Xung đồng u cầu có độ xác cao biên độ, thời gian tồn chu kỳ lặp lại Một số máy đại dùng dao động chuẩn thạch anh để thực nhiệm vụ b) Khối phát xung siêu âm: tác dụng điều khiển xung đồng bộ, khối tạo tín hiệu điều hòa tần số siêu âm với thời gian tương ứng Tần số siêu âm có độ ổn định cao tốt Nếu bất ổn định xảy hiệu phát sóng giảm nhiều phần sau mạch hoạt động theo nguyên tắc cộng hưởng Muốn có cơng suất xung siêu âm phát vào nước biển lớn phải có tín hiệu điện kích thích vào đầu dị lớn tương ứng Vấn đề mạch khuếch đại công suất khối đảm nhiệm c) Đầu dò: phận quan trọng máy dị cá Nó định xác máy dị hoạt động Bộ phần chủ yếu chuyển đổi lượng điện thành sóng siêu âm phát chuyển tín hiệu sóng phản xạ thành điện thu Trong số máy đại ngày đầu dò lắp đặt thêm cảm biến để đo tốc độ tàu, nhiệt độ nước biển, đo độ sâu Đầu dò lắp đáy tàu, tiếp xúc trực tiếp với nước d) Khối khuếch đại thu: có nhiệm vụ chọn lọc lấy tín hiệu phản xạ từ đàn cá hay đáy biển trở tàu tạo để xử lý phù hợp với phần thị Vì tín hiệu phát tín hiệu phản xạ chịu phân tán lượng góc khối chùm tia tiêu hao đường truyền dẫn nên khối phải có hệ số khuếch đại đủ lớn, có tính chống nhiễu cao, chứa nhiều mạch xử lý đặc biệt e) Khối nguồn: có nhiệm vụ biến lưới điện tàu cho phù hợp với tải mạch điện cụ thể tồn máy Nó bao gồm biến áp, chỉnh lưu, ổn áp… f) Chỉ thị: nơi thể kết thăm dò máy Những phương pháp phổ biến thị còi, đèn, ảnh đen trắng, ảnh màu (CRT), ảnh tinh thể lỏng (LCD) thị số c Nguyên lý hoạt động máy dò cá : Khi khối đồng phát xung điện, xung đưa khối phát xung siêu âm khối tạo tín hiệu điều hịa tần số siêu âm với thời gian tương ứng chuyển tín hiệu đến đầu dị Đầu dị có nhiệm vụ phát sóng siêu âm, sóng siêu âm phát xung quanh tàu Khi chùm tia siêu âm phát từ đầu dị chạm vào đàn cá phần lượng bị phản xạ trở lại, phần bị cá hấp thụ trở thành nguồn phát sóng thứ cấp Sóng siêu âm phản xạ trở lại đầu dò máy dò cá thu lại Do tín hiệu phản xạ trở yếu nên máy thu làm nhiệm vụ khuếch đại Sau tín hiệu đưa đến thị cho ta hình ảnh đàn cá Cho ta biết rõ vị trí, độ lớn đàn cá Sóng siêu âm phản xạ từ cá vừa phụ thuộc vào loài cá, kích thước cá hướng truyền tới lưng hay bên thân cá… Phân loại máy dò: máy dò đứng, máy dò ngang 2.BIẾN TỬ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC 2.1 Biến tử siêu âm áp điện y học Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật thiết bị khám điều trị có sử dụng biến tử siêu âm ngày sử dụng rộng rãi Các biến tử siêu âm dùng ngày nhiều thiết bị y học nhờ tính đa dạng khả ưu việt Các biến tử siêu âm đóng vai trị quan trọng, chúng thường đầu phát thu tín hiệu máy bị siêu âm chẩn đốn Tại vị trí cần biến tính nhỏ đặc tính điện biến tử gây ảnh hưởng lớn làm sai số đến kết thăm dò làm ảnh tác hại đến kết qủa điều trị Y học - Các biến tử siêu âm sử dụng máy siêu âm chẩn đốn, đầu phát thu tín hiệu, chúng có cơng suất < 10mW, tần số hoạt động từ 1MHz đến vài chục MHz Mẫu gốm mạch điện biến tử 2.2: Cấu tạo nguyên tắc hoạt động a) Sơ đồ khối : máy siêu âm chẩn đoán biểu diễn sau: ĐẦU DỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ MÀNG HÌNH LƯU TRỮ b) Nguyên lý hoạt động: biến tử hoạt động dựa vào hiệu ứng áp điện thuận hiệu ứng áp điện nghịch Khi sử dụng biến tử vừa phát vừa thu sử dụng biến tử phát biến tử thu khác Khi kích xung điện với chiều dài cường độ điều chỉnh xung siêu âm lan truyền theo hướng đầu dò vào môi trường với vận tốc xác định đặc tính mơi trường Khi sóng âm gặp mặt phản hồi đường truyền chúng tạo sóng phản xạ, tán xạ quay trở thu nhận đầu dị Khoảng thời gian sóng giúp ta xác định độ sâu mặt phẳng phản hồi tính cơng thức t = 2d : c d : Khoảng cách từ đầu dị đến mặt phản hồi c : Vận tốc sóng âm môi trường t / : Thời gian cho sóng âm từ đầu dị đến mặt phản hồi Độ lớn biên độ sóng âm phản hồi phụ thuộc vào biên độ sóng phát đi, góc tới sóng âm trở kháng âm mơi trường Đầu dị biến đổi sóng hồi âm thành tín hiệu điện tín hiệu mang thơng tin độ lớn biên độ, thời gian, sau xử lý, thể hình SONAR DỊ TÌM MỤC TIÊU 3.1 Giới thiệu Sonar thiết bị dẫn đường đo cự ly sóng âm nước Sonar tàu ngầm dựa vào đặc tính lan truyền nước sóng âm, dùng chuyển đổi sóng điện xử lý thông tin để thực việc dị tìm mục tiêu nước nước Vì tín hiệu vô tuyến truyền nước không đươc xa nên người ta thay tín hiêu âm sonar So với âm bình thường tín hiệu âm sonar mạnh nhiều Phần lớn thiết bị sonar phát âm mạnh gấp hàng triệu lần tiếng gào người Tín hiệu sonar phát loại tin hiệu xung, cách thời gian định (khoảng phần Igiây) sonar lại phát tín hiệu xung Trong thiết bi sonar có máy thu đặc biệt Có thể nhận âm dội lại (phản xạ) loại âm tần số cao Người ta dùng âm phản xạ để xác đinh vị tri vật thể nước Để thực dị tìm mục tiêu ngầm nước có hai loại Sonar khác nhau: Sonar chủ động Sonar thụ động 3.2 Sonar thụ động: nghe âm tàu bè hay nguồn khác phát Với tàu ngầm, hệ thống Sonar bị động (thụ động) mắt tàu lặn Nó gồm 360 anten đặt mũi tàu 360 anten bố trí thành vịng trịn, độ ứng với độ mũi tàu, 180 bên mạn phải, 180 bên mạn trái Khi tàu hoạt động hệ thống mở 24/24 thuỷ thủ sonar ln ln theo dõi hình, phút phải báo cáo cho huy tình hình phía Hệ thống thu âm chân vịt tàu đối phương, qua hệ thống phân tích kinh nghiệm thuỷ thủ sonar biết mục tiêu chủng loại tàu nào, hướng đi, tốc độ tàu 3.3 Sonar chủ động: dùng tín hiệu âm máy phát lan truyền nước, sau gặp mục tiêu phản xạ trở lại, loại sóng hồi âm máy thu tiếp nhận Căn vào tốc độ lan truyền nước khoảng cách thời gian từ phát tín hiệu đến thu nhận với hướng sóng âm phản hồi, người ta xác định cự ly phương vị mục tiêu Có nhiều cách bố trí hình học đầu phát thu, cho cách thức xác định vị đối tượng khác nhau: - Nếu phát thu chỗ, hoạt động đơn tĩnh - Nếu phát thu tách biệt, hoạt động song tĩnh - Nếu có nhiều đầu phát (hoặc nhiều đầu thu) vị trí tách biệt, hoạt động đa tĩnh Hầu hết Sonar đơn tĩnh, phao âm vận hành đa tĩnh Xung âm phát phận tạo tia tập trung sóng thành chùm mạnh Khi thu tín hiệu phản xạ, tính khoảng cách đến đối tượng dựa theo tốc độ truyền âm nước, giá trị thơ 1500 m/s Để có độ xác khoảng cách cao hơn, phải đo giá trị mơi trường cụ thể, tính theo quan hệ tốc độ với độ mặn nhiệt độ Nếu đối tượng xa, tín hiệu phản xạ nhỏ, người ta dùng kỹ thuật đa tia đa tần Xử lý tín hiệu thu dựa theo khn mẫu tín hiệu phát ra, so sánh kết lần phát, cho giá trị tin cậy Khi phát xung đơn tần biến đổi tần dải hẹp, hiệu ứng Doppler tính tốc độ dịch chuyển xuyên tâm đối tượng Khi bố trí nhiều đầu thu xử lý tín hiệu đồng thời, định vị đối tượng Cách thức bố trí đầu thu xác định vùng định vị tin cậy Ngồi tác dụng dị tìm, sonar cịn dùng cho trao đổi thơng tin nước Thơng tin mã hóa theo cách thức đặc biệt, gửi vào nước 4.BIẾN TỬ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 4.1 Giới thiệu Các phản ứng hố học khơng thể xảy điều kiện thường, dễ dàng thực có mặt sóng siêu âm Một ứng dụng quan trọng lĩnh vực siêu âm việc sử dụng siêu âm để tổng hợp biến đổi hợp chất vô cơ, hữu cơ, làm diệt khuẩn hiệu Các thiết bị siêu âm phức tạp, đa dạng, đặt tiền, song linh hồn chúng biến tử thu phát sóng siêu âm Phổ biến nay, biến tử thu phát siêu âm chế tạo chủ yếu từ vật liệu gốm áp điện có tên thương mại PZT- 4, PZT-8 4.2.Cấu tạo Hình 3.18 Biến tử ghép chế tạo Hình 3.19 Mặt cắt biến tử ghép Biến tử : phát sóng siêu âm lan truyền qua khối nhơm tới đế khuôn máy PVC : để cách điện cho biến tử ghép Lá đồng: tạo cực, dẫn nguồn vào biến tử Khối thép vít: tạo cố định bền máy hoạt động Khối nhôm : tạo môi trường lan truyền tốt cho sóng âm 4.3:Nguyên lý hoạt động : Với hai cụm biến tử ghép kiểu Langevin có tần số cộng hưởng 31,5 kHz 34,5 kHz, ta gắn vào đáy Do tần số cộng hưởng hệ biến tử phụ thuộc vào chiều dày hệ tải nên có tham gia khay chứa tần số cộng hưởng hai cụm biến tử giảm xuống cịn 26,5 kHz 29,5 kHz Đây tần số làm việc tương ứng cho hai cụm biến tử A B máy phát Máy phát siêu âm công suất đa tần hoạt động hai mạch điện tử riêng lẻ điều khiển hai cụm biến tử phát siêu âm hoạt động đồng thời khay chứa siêu âm Trong q trình hoạt động, bán kính, mật độ thời gian tồn bọt khí phụ thuộc mạnh vào tần số siêu âm Trong môi trường chất lỏng tồn nhiều sóng siêu âm có tần số phách khác hiệu ứng tạo thành nổ tung bọt khí xảy cao mãnh liệt hơn, phản ứng hóa học xảy cách dễ dàng điều kiện bình thường Hình 3.23 Thiết bị lúc hoạt động Một điều cần đặc biệt lưu ý máy phát hoạt động, lượng nước khay chứa tham gia vào làm giảm tần số cộng hưởng mạch Việc chọn trị số linh kiện mạch cộng hưởng cho phù hợp với mức nước (tương ứng công suất xạ biến tử phát) trình phức tạp Nói chung mức nước phụ thuộc vào cơng suất máy phát Do phải chọn trị số linh kiện cho tần số máy phát kích thích biến tử làm việc gần mức cộng hưởng KẾT LUẬN Với số ứng dụng nêu Thì gốm áp điện cịn vơ số ứng dụng khác mặt sống Vì thế, cần tìm hiểu, nghiên cứu sâu chi tiết Để đáp ứng nguồn vật liệu cho đất nước TÀI LIỆU THAM KHẢO • Võ Duy Dần Vật liệu điện mơi ứng dụng Nhà xuất đại học Huế 2010 • Lê Quang Tiến Dũng Luận án tiến sĩ (2014) Nghiên cứu chế tạo thiết bị siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu TiO2 cấu trúc nanô • Trương Văn Chương Luận án tiến sĩ (2001) Chế tạo nghiên cứu tính chất vật lý gốm áp điện PbTiO 3PHA La,Mn • Đỗ Viết Ơn Luận văn thạc sĩ khoa học vật lý(2015) Nghiên cứu chế tạo gốm áp điện Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 + 0.5% kl La2O3 + x% kl Nb2O5 ứng dụng • Giáo trình mơ đun Sử dụng máy Dị cá ngang Bộ nơng nghiệp phát triển nơng thơn • Baodatviet.vn/quoc-phong/vu-khi/cach-he-thong-sonar-do-tim-muc-tieu3271485/ ... NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA GỐM ÁP ĐIỆN QUY TRÌNH CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN Quá trình chế tạo gốm áp điện sản xuất gốm thông thường, điểm khác biệt là công đoạn phân cực nhằm tạo tính chất áp điện gốm NGUYÊN LÝ... thạch anh, tourmalin, muối Rochelle, nhiên vật liệu áp điện thường đưa ứng dụng vào thực tế phần lớn vật liệu gốm Trái với tinh thể áp điện, gốm áp điện vật liệu đa tinh thể có đặc tính bật như: bền,... số ứng dụng nêu Thì gốm áp điện cịn vơ số ứng dụng khác mặt sống Vì thế, cần tìm hiểu, nghiên cứu sâu chi tiết Để ? ?áp ứng nguồn vật liệu cho đất nước TÀI LIỆU THAM KHẢO • Võ Duy Dần Vật liệu điện