Cải tiến lò vi sóng dân dụng thành thiết bị chế tạo vật liệu sắt điện PZT53/47

Bài báo này trình bày về các kết quả nghiên cứu cải tiến lò vi sóng dân dụng thành thiết bị chế tạo vật liệu sắt điện PZT53/47. Vật liệu sắt điện PZT53/47 dưới dạng gốm điện và màng mỏng đã chế tạo thành công với sự hỗ trợ của vi sóng trong môi trường dung dịch HNO3 loãng. Kết quả thu được bột gốm sắt điện và màng mỏng có cấu trúc và vi cấu trúc đồng đều, siêu mịn, kích thước hạt dưới 100nm. Ưu điểm của phương pháp này là làm giảm được nhiệt độ nung thiêu kết của gốm. Tính chất sắt điện của gốm và màng mỏng PZT53/47 cũng đã được nghiên cứu.

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số (18) – 2014 CẢI TIẾN LÒ VI SÓNG DÂN DỤNG THÀNH THIẾT BỊ CHẾ TẠO VẬT LIỆU SẮT ĐIỆN PZT53/47 Huỳnh Duy Nhân Trường Đại học Thủ Dầu Một TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu cải tiến lò vi sóng dân dụng thành thiết bị chế tạo vật liệu sắt điện PZT53/47 Vật liệu sắt điện PZT53/47 dạng gốm điện màng mỏng chế tạo thành công với hỗ trợ vi sóng mơi trường dung dịch HNO3 lỗng Kết thu bột gốm sắt điện màng mỏng có cấu trúc vi cấu trúc đồng đều, siêu mịn, kích thước hạt 100nm Ưu điểm phương pháp làm giảm nhiệt độ nung thiêu kết gốm Tính chất sắt điện gốm màng mỏng PZT53/47 nghiên cứu Từ khóa: vi sóng, cấu trúc, vi cấu trúc, sắt điện, gốm khối, màng mỏng * với nung nóng thơng thường mà nhiệt Đặt vấn đề phải khuếch tán từ bề mặt vật liệu Với Hiện nay, gốm ơxít có cấu trúc nanơ chế nung nóng thể tích, vật liệu ngày thu hút quan tâm hấp thụ lượng vi sóng trực tiếp từ bên chúng có ưu điểm tính chất khác biệt biến đổi thành nhiệt Đặc trưng so với vật liệu có cấu trúc micrơ dẫn đến thuận lợi sử dụng vi Phương pháp truyền thống khơng phù sóng để gia cơng vật liệu Vi sóng hợp với yêu cầu trình tổng hợp vật sử dụng cách thành công số liệu Các phương pháp hóa học ngày lĩnh vực (như nung sơ cao su, thịt lợn sử dụng nhiều để chế tạo muối xơng khói trước nấu, sấy khô vật liệu, với ưu điểm tổng hợp nhiệt độ bột…) Vi sóng sử dụng thấp, điều khiển phát chế nung nóng có tiềm để thay triển kích thước hạt vài phương pháp nung nóng thông Đối với vật liệu sắt điện Pb(ZrxTi1-x)O3 thường Những ứng dụng tiềm [PZT] PZT pha tạp, vấn đề khó khăn thu hút ngày nhiều nghiên thành phần vật liệu có chứa TiO2 khó cứu lĩnh vực tan mơi trường HNO3 Năm 1999, nhóm tác giả E.B.Araujo J.A.Eiras đề Năm 1999, nhóm tác giả A.Fini xuất chế tạo dung dịnh PZT xuất phát từ A.Breccia Đại học Bologna (Italia), bột gốm sau nung sơ Tuy nhiên, trình bày báo cáo tổng quan kết sử dụng phương pháp nung nóng thơng sử dụng vi sóng lĩnh vực hóa học vật thường nên khơng thể hòa tan hồn tồn PZT liệu Bằng cách sử dụng lò vi sóng tần số mơi trường HNO3 lỗng [4,5] 2.45 GHz (bước sóng 12,23 cm), cơng suất Đặc trưng bật nung từ 600W đến 700W, hầu hết phản ứng nóng vi sóng nung nóng thể tích, khác hóa học khó thực diễn cách Journal of Thu Dau Mot University, No (18) – 2014 triệt để, nhanh chóng sau xử lý vi sóng thời gian phút Cũng vào năm này, Koos Jansen đánh giá tính hiệu việc sử dụng lò vi sóng việc chế tạo vật liệu rây phân tử (Zeolite) Trên sở phân tích nói trên, đặt vấn đề nghiên cứu chế tạo dung dịch PZT HNO3 với hỗ trợ vi sóng, từ thu bột gốm siêu mịn chế tạo thành công gốm sắt điện Cải tiến lò vi sóng dân dụng Hình Cấu tạo chung lò vi sóng 2.1 Tìm hiểu lò vi sóng Chúng ta nhìn thấy vật nung bên qua cánh cửa chất dẻo suốt kính mà khơng sợ nguy hại vi sóng Để đề phòng vi sóng lọt ngồi qua cửa này, nhà sản xuất dùng lưới kim loại đan dày mắt đặt ghép vào để phản xạ vi sóng trở lại khoang Ánh sáng nhìn thấy có bước sóng nhỏ lỗ mắt cáo lưới nên cho ta nhìn vào bên trong, vi sóng có bước sóng lớn nên khơng thể lọt bên ngồi Chúng ta có: c   (với c = 2.99792.1010cm/s) f Theo quy định Hiệp hội Viễn thông Hoa Kỳ năm 1986, thiết bị vi sóng dùng công nghiệp, nghiên cứu khoa học y tế có tần số nằm khoảng 915MHz đến 2.45GHz Hầu hết lò vi sóng dùng gia đình có tần số 2.45GHz Tuy nhiên, yêu cầu phát triển công nghiệp nghiên cứu khoa học, hệ lò vi sóng có tần số lên đến 30GHz cho phép sử dụng Đối với vi sóng tần số f = 2.45x109Hz, bước sóng  khoảng 12.23cm Với tần số cao hơn, bước sóng nhỏ thiết kế phải có lưu ý đặc biệt để tránh rò vi sóng mơi trường Trên hình 3, manhetron (1) loại đèn điện tử phát sóng dải siêu cao tần Cấu tạo gồm có phận chính: catơt, khối anơt (có nhiều hốc cộng hưởng hình trụ) vòng liên kết để dẫn sóng (anten) Khi hoạt động, manhetron đặt cực từ nam châm vĩnh cửu cho đường sức từ có hướng song song với trục catơt Mọi điện tử bay khỏi catôt để đến anôt chịu tác dụng hai lực lực điện lực từ nên quỹ đạo điện tử có Hình Quy ước phân chia dải tần số Tuy tần số làm việc có khác nhau, nguyên lý cấu tạo chung lò vi sóng mơ tả hình Đèn Manhetron (1) sản sinh sóng siêu cao tần có bước sóng cỡ 12 cm Sóng siêu cao tần sinh theo ống dẫn sóng (2) tới phận gọi quạt khuấy (3) để hướng sóng phía khoang lò Thành khoang lò kim loại phản xạ vi sóng (4) tập trung chúng vào vật cần nung nóng đặt lò (5), (6) khối nguồn 10 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số (18) – 2014 dạng phức tạp Nhìn chung, tập thể điện tử chuyển động quay tròn xung quanh catot kích thích hốc cộng hưởng Do tương tác với trường xoay chiều, dòng điện tử bắt đầu hợp nhóm nhóm điện tử cung cấp lượng cho hốc cộng hưởng Năng lượng dao động siêu cao tần dẫn ngồi nhờ vòng liên kết từ siêu cao tần thành nhiệt nhiệt cọ xát phân tử Quá trình cấp nhiệt thực bên mẫu, lượng nhiệt sinh lớn đồng [6] 1.Máy khuấy từ 2.Bình phản ứng 3.Ơng hồi lưu Nguồn phát vi sóng 5.Cặp nhiệt điện 6.Nước làm lạnh Hình Hệ xử lý vi sóng nhiệt độ thấp Chúng tơi sử dụng lò vi sóng NE-5670, cơng suất vi sóng 500 W, tần số 2.45 GHz qua sử dụng để thiết kế thành thiết bị chuyên dụng cho mục đích nghiên cứu chế tạo vật liệu Thiết bị xử lý vi sóng nhiệt độ thấp mơ tả hình Hình Cấu tạo đèn Manhetron (a), khối anod (b), catot (c) sóng điện từ hình thành đèn (d) 2.3 Cải tiến lò vi sóng dân dụng thành lò nung vi sóng nhiệt độ cao Nếu vật liệu thực phẩm, tần số vi sóng kích thích phân tử nước bên nó, làm cho chúng cọ xát với chuyển hoá động phân tử nước thành nhiệt đốt nóng thức ăn Với lò vi sóng tần số 2.45GHz, giây phân tử nước quay theo trường cọ xát vào 2.45 tỷ lần Đối với vật rắn, tần số 2.45GHz tương ứng với miền đóng góp chế hồi phục lưỡng cực ion xảy vật liệu[6] Để nung nóng vi sóng vật liệu khó hấp thụ vi sóng, giải pháp tốt thiết kế thêm cảm ứng Cấu tạo cốc nung sử dụng vi sóng có dạng hình Trong (1) (3) chén nung gốm sứ có kích thước khác nhau; (4) vật liệu cách điện Al2O3 ZrO2 Phần cảm ứng (2) hỗn hợp vật liệu SiC, MnO2, Fe3O4, NiO, graphit, pherit… với chất phụ gia kết dính 2.2 Cải tiến lò vi sóng dân dụng thành thiết bị xử lý vật liệu Vi sóng kỹ thuật cấp nhiệt việc tạo dao dộng phân tử tốc độ cao, khả cấp nhiệt nhanh đồng nhất, giống trình thủy nhiệt nhiệt độ cao Đây chuyển đổi lượng sóng Hình Cấu tạo chén nung vi sóng 11 Journal of Thu Dau Mot University, No (18) – 2014 Cặp nhiệt đưa vào lò vi sóng, khoan lỗ nhỏ đường kính 15mm đỉnh lò Nhiệt độ lò điều khiển cách thay đổi công suất thay đổi thành phần khối lượng lớp cảm ứng Dải nhiệt độ khống chế đạt 15500C, nhiệt độ tối đa đạt 18000C Chế tạo gốm sắt điện PZT53/47: Từ dung dịch PZT môi trường HNO3 loãng, thu hồi lại bột gốm cách sử dụng phương pháp đồng kết tủa với tác nhân NH4OH có PH = – 10 Bột gốm nung sơ Trên sở thiết bị chế tạo được, chúng tơi đề xuất quy trình cơng nghệ chế tạo gốm cải tiến có tính ưu việt quy trình cơng nghệ chế tạo gốm điện tử sử dụng rộng rãi Tính ưu việt bật thời gian chế tạo vật liệu giảm xuống khoảng 1/10, điện tiêu thụ giảm xuống đáng kể so với công nghệ thông thường[2] Dung dịch HNO3 Xử lí vi sóng Phương pháp thực nghiệm 3.1 Vật liệu Vật liệu nghiên cứu gồm ơxít PbO, TiO2, ZrO2 có độ 99,9%, dung dịch HNO3, NH4OH, C6H8O7 dạng rắn, C2H6O2, nước cất giấy quỳ để kiểm tra độ PH Axít citric + Ethylen glycol Dung dịch NH4OH Xử lí vi sóng Thu kết tủa Thu gel Nung 700 0C – 2h Tạo màng PZT53/47 Ép mẫu 3.2 Phương pháp chế tạo Mẫu nghiên cứu có cơng thức tổng qt: Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 (PZT53/47) Các hợp chất phối liệu PbO, ZrO2, TiO2 lượng PbO bổ sung 10% wt.mol Mẫu trộn, nghiền nung sơ nhiệt độ 8500C thời gian Bột sau nung sơ đưa vào bình chứa dung dịch HNO3 lỗng, tỷ lệ: axit/9 nước cất Xử lý dung dịch nói lò vi sóng 500 W, tần số 2.45 GHz, chế độ Medium thời gian 15 phút, bột gốm tan hoàn toàn dung dịch trở nên suốt Nung thiêu kết mẫu Hình Sơ đồ chế tạo vật liệu sắt điện PZT53/47 Bột sau thu hồi, sấy khơ nung 7000C giờ, sau ép định hình thành mẫu nung thiêu kết nhiệt độ 10000C giờ, xử lý phủ điện cực tạo thành mẫu khối Từ dung dịch này, chế tạo gốm sắt điện màng mỏng PZT53/47 theo hai hướng sau đây: 12 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số (18) – 2014 Chế tạo PZT53/47: màng mỏng sắt điện cứu mạch Sawyer – Tower kết nối với dao động ký số Tektronix TDS 1012B ghép nối với máy tính (hình 11, hình 14) Kết thảo luận Pha dung dịch axit citric (C6H8O7) etylen glycon (C2H6O2) theo tỉ lệ mol 4/5 Sau cho vào dung dịch PZT mơi trường HNO3 lỗng theo tỉ lệ 3/4 thể tích, khuấy phút xử lý dung dịch vi sóng thời gian phút, chế độ Low để tạo gel dung dịch Sau khuấy liên tục từ 12-24h nhiệt độ 40-600C để làm già hóa gel (có màu nâu đỏ) Tạo màng PZT đế Si/SiO2/TiO2/Pt phương pháp nhúng ( dip coating) tốc độ 0.5mm/phút Ủ kết tinh màng 600 0C thời gian 30 phút Tốc độ gia nhiệt 40C/phút 4.1 Gốm sắt điện PZT53/47 Hình giản đồ DTA/TGA vật liệu Labsys TG Figure: Experiment: Mau A 06/05/2008 Procedure: 30 > 1000C (10 C.min-1) (Zone 2) Crucible: PT 100 µl Atmosphere:Air Mass (mg): 54.42 TG/% HeatFlow/µV d TG/%/min Exo 12 Peak :367.68 °C 10 -1 -2 Peak :116.81 °C 0 -3 -3 -10 Mass variation: -10.31 % -4 -6 -9 -20 -5 Mass variation: -1.24 % -12 100 300 500 700 900 Furnace temperature /°C Hình 8: Giản đồ DTA/TGA bột PZT53/47 nung 7000C – Trên đường cong DTA cho thấy đỉnh thu nhiệt 116,810C liên quan tới phản ứng khử gốc phức, bay NOX Độ suy giảm khối lượng tương ứng 10,31% Kết chứng tỏ chì hyđrơxít, titan hyđrơxit zicon hyđrơxit tạo thành mong đợi, suy giảm khối lượng dẫn đến phân ly hỗn hợp Pb, Ti Zr (a) (b) Hình 7: (a) dung dịch PZT(53/47) mơi trường HNO3 loãng: (b) dung dịch sau tạo gel 3.3 Phương pháp đo Các đỉnh thu nhiệt đường cong DTA biểu diễn hình 367,680C chứng tỏ liên quan tới việc bắt đầu tạo thành PZT, khơng có phản ứng trung gian làm suy giảm khối lượng 1,24% đường cong TGA Phân tích tạo thành phản ứng khoảng nhiệt độ PZT, đo DTA/TGA (hình 8) Phân tích cấu trúc vi cấu trúc, đo nhiễu xạ tia X bột PZT43/47 nung 7000C màng mỏng PZT53/47 nung 6000C 30 phút (hình 9, hình 12) Nghiên cứu kích thước hạt hình thái bề mặt màng mỏng, chụp ảnh FESEM bột gốm nung 7000C màng mỏng nung 6000C 30 phút (hình 10, hình 13) Để nghiên cứu tính chất sắt điện, mẫu nghiên Trên đường cong DTA cho thấy khoảng nhiệt độ từ 367,680C đến gần 7000C vùng xảy phản ứng tạo thành PZT Hình cho thấy bột kết tinh hồn chỉnh thành pha tứ giác góc 44.5, 13 Journal of Thu Dau Mot University, No (18) – 2014 50,550 pha mặt thoi 21.7, 31.2, 38.20 Như để bột PZT kết tinh hoàn toàn thành pha perovskite nhiệt độ ủ 7000C trở lên Từ hình 11 ta thấy, nhiệt độ thiêu kết mẫu 10000C giờ, phân cực dư Pr = 26µC/cm2 điện trường kháng Ec = 22 kV/cm Kết tương đương với gốm chế tạo phương pháp cổ truyền nung nhiệt độ 12000C đến 13000C thời gian cơng trình cơng bố 4.2 Màng mỏng sắt điện PZT53/47 đế Si/SiO2/TiO2/Pt Hình 9: Giản đồ nhiễu xạ tia X bột PZT53/47 nung 7000C – 2giờ Từ ảnh FESEM hình 10 cho thấy hạt phát triển đồng đều, kích hạt nhỏ 100 nm Bột chế tạo phương pháp có tính kết hợp cao, dấu hiệu đặc trưng vật liệu có cấu trúc nanơ Trên hình 12 nhiễu xạ tia X màng mỏng nung kết tinh 6000C thời gian 30 phút cho thấy kết tinh gần hồn tồn, có mặt gần đầy đủ pha tứ giác (tetragonal) mặt thoi (rhombohedral), cường độ đỉnh nhiễu xạ cao Faculty of Chemistry, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mang PZT 53-47 600C 30phut 200 190 180 170 160 150 d=2.859 140 130 d=2.314 Lin (Cps) 120 110 100 90 80 70 40 30 d=2.024 50 d=2.350 d=4.049 60 20 10 15 20 30 40 50 2-Theta - Scale File: VienHue MangPZT53-47 600C30phut.raw - Start: 15.000 ° - End: 55.000 ° - Step: 0.010 ° - Step time: 0.5 s - Anode: Cu - WL1: 1.5406 - Creation: 22/07/2008 11:17:06 AM 01-070-4060 (C) - Lead Zirconium Titanium Oxide - Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 - Y: 56.77 % - d x by: - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.05500 - b 4.05500 - c 4.11000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Hình 12 giản đồ nhiễu xạ tia X màng mỏng PZT53/47 nung 6000C – 30 phút Các màng PZT lắng đọng đế Si/SiO2/TiO2/Pt kết tinh 6000C 30 phút lò nung Lenton với tốc độ lên, xuống nhiệt độ 40C/phút, màng chế tạo lớp nhúng với tốc độ 0.5mm/phút Kết từ ảnh FESEM hình 10 cho thấy bề mặt hình thái màng có vi cấu trúc dày đặc, phân bố hạt đồng phân chia biên hạt rõ rệt Kích thước hạt trung bình ước tính 60nm đến 100nm Hình 10: Ảnh FESEM bột PZT53/47 nung 7000C Hình 11 đường trễ sắt điện màng ủ kết tinh 6000C – 30 phút có phân cực bão hòa Ps = 13µC/cm2, phân cực dư Pr = 7.5µC/cm2 Hình 11: Đường trễ sắt điện PZT53/47 nung thiêu kết 10000C 3h 14 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số (18) – 2014 điện trường kháng Ec = 49µC/cm2 , biểu tính sắt điện điển hình vật liệu chế tạo thành cơng bột gốm điện PZT53/47 có cấu trúc vi cấu trúc đồng đều, kích thước hạt bột gốm thu nhỏ 100 nm Từ bột gốm chế tạo thành công gốm sắt điện PZT53/47 nung 10000C có tính sắt điện tốt, phân cực dư đạt Pr = 26 µC/cm2 điện trường kháng Ec = 22 kV/cm Nhờ hỗ trợ vi sóng làm giảm nhiệt độ nung thiêu kết xuống 2000C đến 3000C so với phương pháp chế tạo gốm cổ truyền đồng thời kích thước hạt giảm xuống đáng kể Mặt khác từ hỗ trợ vi sóng chúng tơi chế tạo thành công màng mỏng PZT53/47 đế Si/SiO2/TiO2/Pt, có hạt phân bố đồng đều, kích thước hạt nhỏ 100 nm, phân cực dư Pr = 7.5µC/cm2 điện trường kháng Ec = 49µC/cm2, tính sắt điện vật liệu tốt Từ kết nghiên cứu này, nhờ hỗ trợ vi sóng nghiên cứu chế tạo vật liệu khác có cấu trúc nanơ Hình 13: Ảnh FESEM màng PZT53/47 đế Si/SiO2/TiO2/Pt nung 6000C 30 phút Kết luận Từ lò vi sóng dân dụng NE-5670, cơng suất vi sóng 500 W, tần số 2.45 GHz, thiết kế hoàn thiện thiết bị chuyên dụng hỗ trợ cho việc nghiên cứu chế tạo vật liệu PZT53/47 Nghiên cứu chế tạo dung dịch PZT 53/47 mơi trường HNO3 lỗng, hồn tồn suốt với hỗ trợ vi sóng * IMPROVEMENT OF CIVIL MICROWAVE TO FABRICATION EQUIPMENT OF FERROELECTRIC MATERIALS PZT53/47 Huynh Duy NHan Thu Dau Mot University ABSTRACT This article presents the research results on improving civil microwave to fabrication equipment of ferroelectric materials PZT53/47 Ferroelectric materials PZT53/47 in the form of electroceramic and film were successfully fabricated with the help of microwaves in dilute HNO3 solution environment The result obtained was ferroelectric ceramic powder and film with uniform structure and microstructure, and ultra-fine particle sized less than 100 nm The advantage of this method is to reduce sintering firing temperature of ceramics Ferroelectric properties of ceramics and film PZT53/47 have been studied as well TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Văn Chương, Lê Quang Tiến Dũng, Cấu trúc tính chất sắt điện gốm 0.9PZT53/47-0.1Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 chế tạo vi sóng, Hội nghị vật lý tồn quốc lần thứ VI, 12/2005, tr 23 – 25 15 Journal of Thu Dau Mot University, No (18) – 2014 [2] Trương Văn Chương, Lê Quang Tiến Dũng, Chế tạo máy rửa siêu âm công suất sở biến tử gốm áp điện hệ PZT pha tạp, đề tài cấp trọng điểm, 2006 [3] Le Quang Tien Dung, Truong Van Chuong and Vo Duy Dan, "Study of structure, Microstructure and Ferroelectric property of Lead zirconate thin films prepared by Sol-gel technique", Proceeding of the Second International Workshop on Nanophysics and Nanotechnology (IWON’004), 2004, pp 187 – 200 [4] E.B Araujo, J.A.Eiras, Ferroelectric Thin film using Oxide as raw Materials, Materails Research, 1999, vol No.1.pp 17 – 21 [5] J.B.Rodirigues, J.A.Eiras, Prepparation and characterization of PLT thick-film produced by chemical route, Journal of the European Ceramics Society, Journal of the European Ceramic Society 22, 2002, pp 2927 – 2932 [6] Truong Van Chuong, Huynh Duy Nhan, Le Quang Tien Dung and Nguyen Duy Anh Tuan, 2009, Preparation and Investegation of ferroelectric Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 by modified Pechini method, Journal of Physics (Conference series 187(2009)012045.doi:10.1088/1742-6596/187/ 1/012045) 16 ... nghiên cứu chế tạo dung dịch PZT HNO3 với hỗ trợ vi sóng, từ thu bột gốm siêu mịn chế tạo thành công gốm sắt điện Cải tiến lò vi sóng dân dụng Hình Cấu tạo chung lò vi sóng 2.1 Tìm hiểu lò vi sóng. .. luận Từ lò vi sóng dân dụng NE-5670, cơng suất vi sóng 500 W, tần số 2.45 GHz, thiết kế hoàn thiện thiết bị chuyên dụng hỗ trợ cho vi c nghiên cứu chế tạo vật liệu PZT53/47 Nghiên cứu chế tạo dung... cách điện Al2O3 ZrO2 Phần cảm ứng (2) hỗn hợp vật liệu SiC, MnO2, Fe3O4, NiO, graphit, pherit… với chất phụ gia kết dính 2.2 Cải tiến lò vi sóng dân dụng thành thiết bị xử lý vật liệu Vi sóng