Nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc tính hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp và ứng dụng chế tạo biến tử siêu âm gốm áp điện công suất cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN PZT PHA TẠP VÀ ỨNG DỤNG CHẾ TẠO BIẾN TỬ SIÊU ÂM GỐM ÁP ĐIỆN CÔNG SUẤT CAO Mã số: B2017-ĐN06-06 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Thịnh Đà Nẵng, 5/2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN PZT PHA TẠP VÀ ỨNG DỤNG CHẾ TẠO BIẾN TỬ SIÊU ÂM GỐM ÁP ĐIỆN CÔNG SUẤT CAO Mã số: B2017-ĐN06-06 Xác nhận quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài ThS Nguyễn Văn Thịnh Đà Nẵng, 5/2019 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Thịnh – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật, ĐHĐN THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc tính hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp ứng dụng chế tạo biến tử siêu âm gốm áp điện công suất cao - Mã số: B2017-ĐN06-06 - Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Thịnh - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật - Thời gian thực hiện: từ 6/2017 đến 05 /2019 Mục tiêu: - Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp - Nghiên cứu chế tạo, phân tích đặc tính hệ vật liệu áp điện cứng - Mô hoạt động biến tử Langevin - Thiết kế, chế tạo biến tử siêu âm công suất cao - Làm chủ công nghệ, triễn khai ứng dụng Tính sáng tạo: - Nghiên cứu xây dựng thành cơng quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp - Tổng hợp, phân tích đánh giá đặc tính hệ vật liệu áp điện cứng có cơng thức: Pb0,96Sr0,04(Zr0,53Ti0,47)0,996O3 + 0,4% mol MnO2 ( PSZTM) - Mô xác định tần số cộng hưởng, tính chất trường âm biến tử môi trường - Thiết kế, chế tạo biến tử siêu âm công suất cao Kết nghiên cứu: - Đã nghiên cứu xây dựng thành cơng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp - Đã tổng hợp, phân tích đánh giá đặc tính hệ vật liệu có cơng thức: Pb0,96Sr0,04(Zr0,53Ti0,47)0,996O3 + 0,4% mol MnO2 ( PSZTM) - Đã mô xác định tần số cộng hưởng, tính chất trường âm biến tử mơi trường - Đã thiết kế, chế tạo biến tử siêu âm công suất cao Sản phẩm: 5.1 Sản phẩm khoa học: Bài báo đăng tạp chí nước: Nghiên cứu xây dụng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp Tạp chí Khoa học Công nghệ Đai học Đà Nẵng Tác giả: Nguyễn Văn Thịnh Đại học Đà Nẵng Số: 11(120)2017 Trang: 113-117 2017 5.2 Sản phẩm đào tạo: - Hỗ trợ NCS 5.3 Sản phẩm ứng dụng - Quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp chế tạo biến tử siêu âm công suất cao - Biến tử siêu âm công suất cao Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: - Quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp - Biến tử siêu âm công suất cao để chế tạo máy siêu âm công suất kiểu hội tụ ứng dụng cho khoa Cơng nghệ Hóa học – Trường Đại học Sư pham Kỹ thuật Tổ chức chủ trì Ngày 10 tháng năm 2019 Chủ nhiệm đề tài ThS Nguyễn Văn Thịnh INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: - Project title: Researching to synthesize, analyze the doped PZT piezoelectric material characteristic and manufacture the high power piezoelectric ceramic ultrasonic transducer - Code number: B2017-ĐN06-06 - Coordinator: M.S Nguyễn Văn Thịnh - Implementing institution: The University of Danang - Duration: from 06/2017 to 05/2019 Objective: - Researching to build the doped PZT piezoelectric material synthesizing technology process, - Researching to manufacture and analyze the hard piezoelectric material characteristic, - Simulating the Langevin transducer operation, - Designing and manufacturing the high power ultrasonic transducer Creativeness and innovativeness: - Building successfully the doped PZT piezoelectric material synthesizing technology process, - Synthesizing, analyzing and evaluating the hard piezoelectric material characteristic with formula: Pb0.96Sr0.04(Zr0.53Ti0.47)0.996O3 + 0.4% mol MnO2 (PSZTM) - Simulating determinant the resonant frequency, the sound field property in the transducer and environment, - Designing and manufacturing the high power ultrasonic transducer Research results: - Building successfully the PZT piezoelectric material synthesizing process, - Synthesizing, analyzing and evaluating the hard piezoelectric material characteristic with formula: Pb0.96Sr0.04(Zr0.53Ti0.47)0.996O3 + 0.4% mol MnO2 (PSZTM) - Simulating determinant the resonant frequency, the sound field property in the transducer and environment, - Designing and manufacturing the high power ultrasonic transducer Products: 5.1 Scientific publications 01 paper in the journal science and technology, the University of Danang: Nghiên cứu xây dụng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đai học Đà Nẵng Tác giả: Nguyễn Văn Thịnh Đại học Đà Nẵng Số: 11(120)2017 Trang: 113-117 2017 5.2 Training Support for PhD students 5.3 Application products - The technology process to synthesize the doped PZT piezoelectric material and manufacture the high power ultrasonic transducer - The high power ultrasonic transducer Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: - The doped PZT piezoelectric synthesis technology process - The High power ultrasonic transducer to manufacture the focus power ultrasound machine applying for Chemical Technology department, The University of Technology and Education, The University of Danang MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Khoa học vật liệu lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc tính ứng dụng vật liệu mới, đặc biệt vật liệu áp điện có tính năng, ứng dụng vượt trội, nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, ứng dụng Một cách nhìn tổng quan cho thấy vật liệu gốm áp điện sơ cho việc chế tạo phần tử chuyển đổi lượng điện – cơ, – điện, điển hình biến tử siêu âm gốm áp điện, từ để phát triển lĩnh vực siêu âm ứng dụng MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ chế tạo gốm áp điện - Tổng hợp hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp - Phân tích cấu trúc, vi cấu trúc vật liệu phương pháp SEM, XRD - Xác định tính chất, thơng số vật liệu theo chuẩn quốc tế IRE-61 IRE-87 hệ đo HIOKI 3532 tự động hoá - Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo biến tử siêu âm - Chế tạo biến tử siêu âm công suất cao ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu áp điện - Biến tử siêu âm công suất 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp - Thiết kế chế tạo biến tử siêu âm công suất CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Cách tiếp cận - Nghiên cứu vật liệu gốm áp điện - Nghiên cứu phương pháp, quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện - Nghiên cứu biến tử siêu âm gốm áp điện - Nghiên cứu phương pháp, quy trình cơng nghệ chế tạo biến tử siêu âm công suất 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Áp dụng sở phương pháp nghiên cứu chất rắn - Nghiên cứu lý thuyết triển khai tổng hợp vật liệu - Nghiên cứu tính chất vật liệu, ứng dụng hệ đo để đo thống số đặc trưng - Nghiên cứu loại biến tử siêu âm, tập trung vào siêu âm cơng suất Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Ý nghĩa khoa học đề tài - Đề tài cơng trình nghiên cứu khoa học vật liệu, làm chủ quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện - Triển khai kết nghiên cứu thiết kế chế tạo ứng dụng vào kỹ thuật thủy âm - siêu âm 5.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài - Báo cáo tổng kết đề tài tài liệu tham khảo vật liệu áp điện, kỹ thuật thủy âm – siêu âm ứng dụng - Sản phẩm đề tài tiếp tục triển khai chế tạo máy siêu âm công suất NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung đề tài bao gồm chương Chương 1: Cơ sở lý thuyết vật liệu áp điện pha tạp Chương 2: Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo gốm áp điện PZT pha tạp Chương 3: Mô hoạt động biến tử Langevin phần mềm COMSOL Multiphysics Chương 4: Chế tạo biến tử siêu âm công suất cao CHƯƠNG CƠ SƠ LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN PHA TẠP 1.1 Cấu trúc perovskite vật liệu áp điện ABO3 Perovskite tên gọi khống vật có cấu trúc lập phương CaTiO3 Hầu hết loại gốm áp điện sử dụng rộng rãi BaTiO3 (BT), PbTiO3 (PT), PbZr1-xTixO3 (PZT), [Pb1-yLay][Zr1-xTix]O3 (PLZT), KTaxNb1-xO3 (KTN)…đều có cấu trúc perovskite Các oxit phức có cơng thức tổng qt ABO3, A cation (hóa trị 1, 3) có bán kính ion lớn, B cation (hóa trị 5, tương ứng) có bán kính ion nhỏ O oxy Các chất sắt điện có cấu trúc perovskite tìm thấy có cơng thức dạng A2+B4+O32- A1+B5+O32-, nhiên chưa phát tính sắt điện hợp chất dạng A3+B3+O32- Cấu trúc perovskite thực chất mạng chiều bát diện BO6- , nhiên mơ tả chúng gồm hình lập phương xếp chặt ion A O, ion B nằm tâm bát diện Hình 1.1 Cấu trúc perovskit ABO3 1.2 Phân cực tự phát tinh thể áp điện 1.3 Gốm áp điện sở PZT Hình 1.3 giản đố pha biểu diễn phụ thuộc nhiệt độ Curie TC theo tỷ lệ thành phần khối lượng Zr/Ti, với trục hoành tỷ lệ khối lượng PbZrO3 PbTiO3 phía trái giàu Zr, phái phải giàu Ti Biên pha phân chia vùng sắt điện thành hai miền: pha sắt điện có cấu trúc tứ giác (phía CHƯƠNG MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN LAGENVIN BẰNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSIS 3.1 Phân tích đặc trưng cộng hưởng áp điện phương pháp phần tử hữu hạn 3.1.1 Các phương trình liên tục mơi trường áp điện 3.1.2 Các phương trình động học 3.2 Phân tích trạng thái dao động biến tử Lagenvin phần mềm Comsol Multiphysis 3.2.1 Các thông số biến tử áp điện hình xuyến Hình 3.1 Mơ hình biến tử áp điện hình xuyến 3.2.2 Trạng thái dao động biến tử áp điện tần số riêng khác Hình 3.3 Trạng thái dao động biến tử tần số 16,855 kHz 10 Hình 3.4 Trạng thái dao động biến tử tần số 27,5 kHz Hình 3.5 Trạng thái dao động biến tử tần số 39,99 kHz Hình 3.6 Trạng thái dao động biến tử tần số 44,334 kHz 11 3.2.3 Phổ cộng hưởng gốm theo tần số Hình 3.8 Phổ cộng hưởng biến tử áp điện Hình 3.9 Độ biến dạng học cực đại biến tử theo tần số 3.3 Mô hoạt động biến tử Langevin 3.3.1 Biến tử áp điện kép Langevin 3.3.2 Độ dịch chuyển biến tử siêu âm tần số khác 12 Hình 3.12 Độ dịch chuyển biến tử tần số 20 kH Hình 3.13 Độ dịch chuyển biến tử tần số 30 kHz Hình 3.14 Độ dịch chuyển biến tử tần số 40 kHz Hình 3.15 Độ dịch chuyển biến tử tần số 50 kHz 13 3.4 Trường âm xạ vùng nước mặt trước biến tử tần số khác 3.4.1 Mơ hình khảo sát trường âm Hình 3.16 Mơ hình 3D khảo sát trường âm xạ trước biến tử Hình 3.18 Mơ hình 3D chia lưới khảo sát trường âm xạ mặt trước biến tử 3.4.2 Khảo sát trường áp suất âm vùng nước trước biến tử tần số khác 14 Hình 3.21 Trường áp suất âm tần số 30 kHz Hình 3.22 Trường áp suất âm tần số 40 kHz Hình 3.23 Trường áp suất âm tần số 50 kHz 3.4.3 Khảo sát mức áp suất âm vùng nước trước biến tử tần số khác 15 Hình 3.25 Mức áp suất âm tần số 20 kHz Hình 3.26 Mức áp suất âm tần số 30 kHz Hình 3.27 Mức áp suất âm tần số 40 kHz 3.4.4 Khảo sát sóng siêu âm phát trường xa tần số khác 16 Hình 30 Sóng siêu âm trường xa tần số 20 kHz Hình 31 Sóng siêu âm trường xa tần số 30 kHz Hình 32 Sóng siêu âm trường xa tần số 40 kHz Hình 33 Sóng siêu âm trường xa tần số 50 kHz 3.4.5 Khảo sát mức áp suất âm trường xa tần số khác 17 Hình 3.35 Mức áp suất âm trường xa tần số 20 kHz Hình 3.36 Mức áp suất âm trường xa tần số 30 kHz Hình 3.37 Mức trường xa tần số áp suất âm 40 kHz Hình 3.38 Mức áp suất âm trường xa tần số 50 kHz 3.4.6 Khảo sát mức áp suất âm trường xa đồ thị 3D đồ thị cực chùm độ nhạy tần số khác 18 Hình 3.40 Đồ thị 3D mức áp suất âm tần số 20 kHz Hình 3.41 Đồ thị 3D mức áp suất âm tần số 30 kHz Hình 3.42 Đồ thị 3D mức áp suất âm tần số 40 kHz Hình 3.43 Đồ thị 3D mức áp suất âm tần số 40 kHz 19 Kết luận Chương Bằng phương pháp phần tử hữu hạn môi trường áp điện phần mềm Comsol Multiphysíc mơ hoạt động biến tử kép Langevin Kết mô xác định thông số đặc trưng biến tử, làm sở cho việc thiết kế chế tạo biến tử siêu âm công suất cao CHƯƠNG CHẾ TẠO BIẾN TỬ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT HÚNG 4.1 Cơ sở thiết kế biến tử áp điện kiểu Langevin Hình 4.1 Mơ hình cấu tạo biến tử Lagenvin Hình 4.2 Cấu tạo biến tử hãng Morgan - Mỹ 20 Hình 4.3 Các dạng đầu horn ứng dụng siêu âm công suất Hình 4.4 Ứng dụng đầu horn siêu âm cơng suất Hình 4.4 Chi tiết phần tử biến tử siêu âm công suất 4.2 Chế tạo biến tử siêu âm công suất từ vật liệu áp điện PZT pha tạp 4.2.1 Chế tạo biến tử áp điện hình xuyến 21 Hình 4.5 Thành phẩm chế tạo biến tử áp điện hình xuyến Hình 4.6 Phổ cộng hưởng biến tử áp điện 4.2.2 Thiết kế biến tử cơng suất kiểu nhãy bậc Hình 4.7 Quan hệ chiều dài biên độ dịch 22 Hình 4.8 Mơ hình thiết kế biến tử siêu âm kiểu nhảy bước 4.2.3 Chế tạo biến tử siêu âm công suất Kết luận Chương Từ kết nghiên cứu chế tạo thành công hệ vật liệu áp điện cứng PZT kết mô Trong chương này, nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công biến tử áp điện hình xuyến, từ chế tạo biến tử siêu âm công suất đầu horn kiểu nhãy bước Kết nghiên cứu ứng dụng siêu âm công suất vào quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu cấu trúc nano 23 KẾT LUẬN VÀ KIỆN NGHỊ I Kết luận Theo nội dung trình bày đề tài đạt mục tiêu nghiên cứu sau: Đã đưa lý thuyết vật liệu áp điện làm sở cho việc phân tích, chọn công thức vật liệu áp điện PZT pha tạp cứng mềm Xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo, phân tích đặc tính hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp Chế tạo thành cơng hệ vật liệu áp điện cứng có thơng số điện môi, sắt điện, áp điện phù hợp để chế tạo biến tử áp điện công suất cao Mô hoạt động, xác định phụ thuộc thông số trường âm theo tần số Thiết kế chế tạo thành công biến tử siêu âm công suất cao từ vật liệu áp điện cứng tổng hợp theo quy trình cơng nghệ đặt Úng dụng biến tử siêu âm công suất chế tạo vào việc pha trộn hổn hợp dung dịch, chiết tách thành phần, tổng hợp vật liệu cấu trúc nano Kiến nghị Vật liệu áp điện cứng nghiên cứu tổng hợp tiếp tục triển khai chế tạo với số lượng nhiều biến tử áp điện hình xuyến biến tử siêu âm công suất Chế tạo máy siêu âm công suất với đầu phát kiểu hội tụ ứng dụngtrong môi trường chất lỏng Tiếp tục nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy khoan, hàn siêu âm ... chế tạo biến tử siêu âm - Chế tạo biến tử siêu âm công suất cao ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Vật liệu áp điện - Biến tử siêu âm công suất 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Quy... ứng dụng siêu âm cơng suất Hình 4.4 Ứng dụng đầu horn siêu âm cơng suất Hình 4.4 Chi tiết phần tử biến tử siêu âm công suất 4.2 Chế tạo biến tử siêu âm công suất từ vật liệu áp điện PZT pha tạp... hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp chế tạo biến tử siêu âm công suất cao - Biến tử siêu âm công suất cao Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: - Quy trình