Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến một số tính chất vật lý của hệ gốm (K0,5Na0,5)NbO3

Hệ gốm K0,5Na0,5NbO3 (KNN) được chế tạo thành công bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến tính chất điện môi và áp điện của hệ gốm KNN đã được nghiên cứu trong bài viết này.

Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 129, Số 1A, 125–130, 2020 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT ĐẾN MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỆ GỐM (K0,5Na0,5)NbO3 Dụng Thị Hoài Trang, Hoàng Ngọc An, Lê Thị Liên Phương, Lê Trần Uyên Tú*, Võ Thanh Tùng Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế, 77 Nguyễn Huệ, Huế, Việt Nam * Tác giả liên hệ Lê Trần Uyên Tú (Ngày nhận bài: 19-02-2020; Ngày chấp nhận đăng: 16-03-2020) Tóm tắt Hệ gốm K0,5Na0,5NbO3 (KNN) chế tạo thành công phương pháp phản ứng pha rắn Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến tính chất điện môi áp điện hệ gốm KNN nghiên cứu Kết thực nghiệm cho thấy mật độ gốm biến thiên tăng nhiệt độ thiêu kết đạt giá trị cao 4,2 g/cm3 thiêu kết 1090 °C, tương ứng với hình thành hạt gốm có dạng tứ giác phân bố đồng Tại nhiệt độ thiêu kết 1090 °C, gốm có hệ số liên kết điện theo phương bán kính (kp) hệ số áp điện (d33) đạt giá trị cao nhất, 0,22 61 pC/N, ứng với kích thước hạt gốm đồng Từ khóa: gốm khơng chì, KNN, nhiệt độ thiêu kết Effects of sintering temperature on physical properties of (K0.5Na0.5)NbO3 ceramics Dung Thi Hoai Trang, Hoang Ngoc An, Le Thi Lien Phuong, Le Tran Uyen Tu *, Vo Thanh Tung Physics Department, University of Sciences, Hue University, 77 Nguyen Hue St., Hue, Vietnam * Correspondence to Le Tran Uyen Tu (Received: 19 February 2020; Accepted: 16 March 2020) Abstract This paper reports the synthesis of K0.5Na0.5NbO3 (KNN) ceramics by using an improved conventional method The influence of sintering temperatures of the fabricated ceramics on the piezoelectric and dielectric properties was studied It was found that density increases greatly within a narrow temperature range, and reaches the highest value of 4.2 g/cm3 at 1090 °C, corresponding to a dense microstructure with the tetragonal grain shape However, when sintering temperature slightly exceeds the optimal one, the density tends to decrease, accompanied by the appearance of abnormal grain growth, which is considered to be due to the intensified volatilization of alkali metal oxides At a sintering temperature of 1090 °C, the highest values of electromechanical coupling factor (kp) and the piezoelectric coefficient (d33) of the ceramics being 0.22 and 61 pC/N, respectively, may be related to homogenous grains size of orthorhombic phase Keywords: lead-free ceramics, KNN, sintering temperature DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5663 125 Dụng Thị Hoài Trang CS Giới thiệu Thực nghiệm Ở thập kỷ trước, hệ gốm áp điện Chúng tiến hành chế tạo hệ gốm với cơng sở chì điển PZT nghiên cứu thức hóa học (K0,5Na0,5)NbO3 phương pháp ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực [1-3] truyền thống Các phối liệu ban đầu (độ tinh khiết Tuy nhiên, tác động khơng tốt chì, ≥99 %, Daejung, Hàn Quốc) bao gồm K2CO3, thành phần chiếm tỷ lệ lớn hợp thức gốm, Na2CO3, Nb2O5 sử dụng Trước đến môi trường sức khỏe người [4, 5], tiến hành cân, muối K2CO3 Na2CO3 sấy nhà khoa học quan tâm phát triển 200 °C nhằm giảm thiểu khả hút số hệ gốm áp điện khơng chì có đặc tính áp điện ẩm vật liệu Hỗn hợp bột sau cân theo tương đương với hệ gốm áp điện kinh điển PZT tỷ lệ nghiền trộn Các hạt nhằm hướng đến giải pháp thay thân thiện bột sau nghiền trộn có phân bố kích thước với mơi trường [5] hạt đồng tạo điều kiện để phản ứng pha Trong số hệ vật liệu khơng chì, gốm (Na,K)NbO3 (KNN) quan tâm đáng kể nhờ chúng có tính chất sắt điện trội với nhiệt độ Curie cao (khoảng 420 °C), mở khả thay vật liệu gốm chì [6-12] Hầu hết nghiên cứu gần tập trung phát triển hệ gốm khơng chì sở KNN với mục tiêu nâng cao đặc trưng sắt điện áp điện gốm cách pha tạp hay phát triển công nghệ chế tạo vật liệu texture [14-17] Bên cạnh đó, nghiên cứu vai trò tạp chất hỗ trợ thiêu kết CuO BaO [18-20] tác động đến nhiệt độ thiêu kết gốm KNN cơng bố Điều cho thấy việc xác định nhiệt độ thiêu kết tối ưu cho rắn xảy dễ dàng trình nung sơ [13] Tiếp theo, bột ép nung sơ hai lần 850 °C nhằm tạo dung dịch rắn mong muốn [14] Sau đó, bột tiếp tục nghiền 16 trước ép Bột ép thành dạng đĩa với đường kính 12 mm áp lực 1,5 T/cm2 máy ép thủy lực Để hạn chế bay nguyên tố kiềm có mặt thành phần gốm chế tạo, mẫu gốm sau ép đặt chén nung chuyên dụng chứa oxit nhôm phủ lớp bột có thành phần hóa học Cuối cùng, mẫu gốm thiêu kết nhiệt độ khác 1070, 1080, 1090, 1100 1110 °C hệ gốm KNN Pha cấu trúc gốm xác định mối quan tâm nhà khoa học vật liệu Với phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) máy D8 nhiệt độ thiêu kết tối ưu, gốm KNN chế tạo ADVANCE-Bruker Vi cấu trúc vật liệu hy vọng có cấu trúc vi mơ hồn hảo đánh giá thơng qua ảnh hiển vi điện tử quét tính chất điện tốt hệ đo Novanano SEM 450-Fei Mật độ mẫu gốm Trong báo tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc, vi cấu trúc tính chất áp điện gốm với cơng thức hóa học (K0,5Na0,5)NbO3 Qua đó, nhiệt độ thiêu kết tối ưu hệ gốm KNN chế tạo phương pháp phản ứng pha rắn xác định Kết viết hy vọng đóng góp hiểu biết số tính chất vật lý gốm KNN nhiệt độ thiêu kết thay đổi 126 xác định phương pháp Archimedes Gốm sau xử lý bề mặt phủ điện cực bạc phân cực dầu cao áp 80 °C với điện trường áp đặt cỡ 30 kV/cm 30 phút Các phép đo đặc trưng điện vật liệu tiến hành sau 24 kể từ hồn thành q trình phân cực Tính chất áp điện gốm xác định hệ đo tự động hóa HP 1493A RLC HIOKI 3532 Hằng số điện mơi nhiệt độ phịng tính Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 129, Số 1A, 125–130, 2020 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 cách đo điện dung C mẫu sử dụng RLC HIOKI 3532 tần số 1kHz Kết thảo luận Hình trình bày mật độ hệ gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết nhiệt độ 1070, 1080, 1090, 1100 1110 °C Kết khảo sát cho thấy khoảng 1070–1110 °C, ban đầu mật độ gốm KNN có xu hướng tăng nhiệt độ thiêu kết tăng đạt giá trị lớn tương ứng 4,2 g/cm3 thiêu kết 1090 °C Tuy nhiên, tiếp tục gia tăng nhiệt độ Hình Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến mật độ gốm hệ (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết, mật độ gốm giảm dần tương ứng với xuất lỗ xốp tình trạng cong vênh bề mặt mẫu gốm Điều dự đốn bay nhanh ion natri kali nhiệt độ thiêu kết cao Kết phù hợp với giả thuyết Margaret; nhiệt độ thiêu kết tăng cao ion Na+ K+ vị trí A cấu trúc perovskite dễ dàng bị bay Do đó, số lượng lỗ trống vị trí A mạng tinh thể tăng theo tương ứng [16] Hình giản đồ nhiễu xạ tia X hệ gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C ứng với góc 2 khoảng từ 20 đến 80° Có thể nhận định Hình Phổ nhiễu xạ tia X hệ gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C gốm có cấu trúc perovskite ABO3, khơng tồn pha thứ hai Để đánh giá dạng đối xứng cấu Hình cho thấy ảnh hiển vi điện tử quét trúc tinh thể gốm, cường độ đỉnh nhiễu xạ (SEM) gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết (a) tương ứng với góc 2 23° 46° phân tích 1070 °C, (b) 1080 °C, (c) 1090 °C (d) 1100 °C Như chi tiết Cụ thể, quan sát đỉnh nhiễu xạ kép, thấy Hình 3a 3b, vi cấu trúc gốm KNN nhận thấy cường độ đỉnh nhiễu thiêu kết 1070 °C 1080 °C không thật đồng xạ bên trái tương ứng với mặt (110) (220) cao nhất; hình dạng hạt gốm khác so với đỉnh bên phải tương ứng với mặt có tồn lỗ hổng Khi nhiệt độ thiêu kết (001) (020) So với công bố Skidmore tăng đến 1090 °C, hình dạng hạt gốm trở nên cộng sự, kết gốm KNN chế tạo đồng hơn; bề mặt hạt hình thành có dạng có cấu trúc đối xứng dạng trực thoi [15] vuông chữ nhật tương ứng với mật độ gốm đạt giá trị lớn Tuy nhiên, tiếp tục tăng nhiệt độ thiêu kết, số lượng hạt có có xu hướng phát triển lớn nhiều Kết kích thước hạt gốm lại trở nên không đồng DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5663 127 Dụng Thị Hồi Trang CS Hình Ảnh hiển vi điện tử quét gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết (a) 1070 °C; (b) 1080 °C; (c) 1090 °C; (d) 1100 °C Để xác định tính chất áp điện gốm Hình biểu diễn phụ thuộc hệ số liên (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C, tiến kết điện (kp) hệ số áp điện (d33) gốm KNN hành khảo sát phổ dao động cộng hưởng biểu diễn theo nhiệt độ thiêu kết Các thông số áp điện nêu phụ thuộc tổng trở Z, góc pha  vào tần số vật liệu KNN có xu hướng tăng tăng đo mẫu gốm KNN nhiệt độ phịng (Hình nhiệt độ thiêu kết Giá trị lớn kp 0,22, 4) Từ kết đo phổ cộng hưởng dao động theo d33 61 pC/N, thu thiêu kết hệ gốm phương bán kính thu được, chúng tơi xác định 1090 °C Khi tiếp tục tăng nhiệt độ thiêu kết, giá tổng trở Zmin, cặp tần số cộng hưởng fm fn ứng trị hệ số liên kết điện hệ số áp điện giảm với trường hợp tổng trở Z hệ đạt giá trị cực tiểu nhanh sau qua giá trị cực đại Đặc trưng áp (Zmin) cực đại (Zmax) Hệ số áp điện d33 hệ số điện tốt hệ gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết liên kết điện kp hệ gốm xác định thông 1090 °C tương ứng với xếp đồng qua phổ cộng hưởng dao động chuẩn IREE hạt gốm có kích thước tương tự Hình Phổ cộng hưởng dao động theo phương bán kính gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C 128 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến hệ số liên kết điện kp hệ số áp điện d33 gốm (K0,5Na0,5)NbO3 Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên Tập 129, Số 1A, 125–130, 2020 Kết luận Hệ gốm khơng chì (K0,5Na0,5)NbO3 chế tạo thành công phương pháp phản ứng pha rắn Kết thực nghiệm cho thấy mật độ gốm thay đổi rõ nét khoảng nhiệt độ thiêu kết tương đối hẹp, giảm đáng kể nhiệt độ thiêu kết tăng vượt giá trị tối ưu 1090 °C Quá trình phát triển cỡ hạt bất thường xảy gia tăng với tăng nhiệt độ thiêu kết cao giá trị tối ưu Nguyên nhân gia tăng tốc độ bay thành phần kiềm hợp thức gốm vùng nhiệt độ cao Giá trị tốt hệ số áp điện (d33 = 61 pC/N) hệ số liên kết điện (kp = 0,22) thu gốm KNN thiêu kết 1090 °C, ứng với mật độ gốm lớn Thông tin tài trợ Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn hỗ trợ kinh phí từ Đề tài cấp Đại học Huế 2018-2019 MS ĐHH 2018-01-130 cho nghiên cứu Tài liệu tham khảo Uchino K Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors Boston: Kluwer Academic Publishers; 1997 Jaffe B, Cook WR, Jaffe H Piezoelectric Ceramics 1st ed New York: Academic Press; 1971 328 p Xu Y Ferroelectric Materials and Their Applications 1st ed North Holland: Elsevier; 1991 Saito Y, Takao H, Tani T, Nonoyama T, Takatori K, Homma T, et al Lead-free piezoceramics Nature 2004;432(7013):84-87 European Parliament, Council of the European Union EU-Directive 2002/96/EC, Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE) EU: Official Journal of the European Union; 2002 15 p CELEX No.: 32002L0096 Narayana MS, Ramana MKV, Umakantham K, Bhanumathi A Modified (NaK)NbO3ceramics for transducer applications Ferroelectrics 1990;102(1):243247 Li J, Wang K, Zhu F, Cheng L, Yao F (K,Na)NbO3Based Lead-Free Piezoceramics: Fundamental DOI: 10.26459/hueuni-jns.v129i1A.5663 pISSN 1859-1388 eISSN 2615-9678 Aspects, Processing Technologies, and Remaining Challenges Green DJ Journal of the American Ceramic Society 2013;96(12):3677-3696 Ma WX, Fu XH, Tao WH, Yang L, Cheng GY, Zhao LP KNN-Sb Lead-Free Piezoelectric Ceramics Synthesized by Hydrothermal Method Materials Science Forum 2016;859:3-7 Tennery VJ, Hang KW Thermal and X‐Ray Diffraction Studies of the NaNbO3–KNbO3 System Journal of Applied Physics 1968;39(10):4749-4753 10 Dai Y, Zhang X, Chen K Morphotropic phase boundary and electrical properties of K1−xNaxNbO3 lead-free ceramics Applied Physics Letters 2009;94(4):042905 11 Dai Y, Zhang X, Zhou G Phase transitional behavior in K0.5Na0.5NbO3–LiTaO3 ceramics Applied Physics Letters 2007;90(26):262903 12 Yao F, Wang K, Li J Comprehensive investigation of elastic and electrical properties of Li/Ta-modified (K,Na)NbO3 lead-free piezoceramics Journal of Applied Physics 2013;113(17):174105 13 Rubio-Marcos F, Romero J, Navarro-Rojero M, Fernandez J Effect of ZnO on the structure, microstructure and electrical properties of KNNmodified piezoceramics Journal of the European Ceramic Society 2009;29(14):3045-3052 14 Tashiro S, Nagamatsu H, Nagata K Sinterability and Piezoelectric Properties of KNbO3Ceramics after Substituting Pb and Na for K Japanese Journal of Applied Physics 2002 Nov 30;41(Part 1, No 11B):7113-7118 15 Dai Y, Zhang X, Zhou G Phase transitional behavior in K0.5Na0.5NbO3–LiTaO3 ceramics Applied Physics Letters 2007;90(26):262903 16 Skidmore T, Milne S Phase development during mixed-oxide processing of a [Na0.5K0.5NbO3]1−x– [LiTaO3]x powder Journal of Materials Research 2007 08;22(8):2265-2272 17 Matsubara M, Yamaguchi T, Kikuta K, Hirano S Effect of Li Substitution on the Piezoelectric Properties of Potassium Sodium Niobate Ceramics Japanese Journal of Applied Physics 2005;44(8):6136-6142 18 Guo Y, Kakimoto K, Ohsato H (Na0.5K0.5) NbO3– LiTaO3 lead-free piezoelectric ceramics Materials Letters 2005; 59(2-3):241-244 19 Matsubara M, Yamaguchi T, Kikuta K, Hirano S Sintering and Piezoelectric Properties of Potassium Sodium Niobate Ceramics with Newly Developed 129 Dụng Thị Hoài Trang CS Sintering Aid Japanese Journal of Applied Physics 2005;44(1A):258-263 20 Kakimoto K, Masuda I, Ohsato H Ferroelectric and Piezoelectric 130 Properties of KNbO3 Ceramics Containing Small Amounts of LaFeO3 Japanese Journal of Applied Physics 2003;42(Part 1, No 9B):6102-6105  ... nhiệt độ thiêu kết tăng đạt giá trị lớn tương ứng 4,2 g/cm3 thiêu kết 1090 °C Tuy nhiên, tiếp tục gia tăng nhiệt độ Hình Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến mật độ gốm hệ (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết, ... tự Hình Phổ cộng hưởng dao động theo phương bán kính gốm (K0,5Na0,5)NbO3 thiêu kết 1090 °C 128 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến hệ số liên kết điện kp hệ số áp điện d33 gốm (K0,5Na0,5)NbO3. .. học (K0,5Na0,5)NbO3 Qua đó, nhiệt độ thiêu kết tối ưu hệ gốm KNN chế tạo phương pháp phản ứng pha rắn xác định Kết viết hy vọng đóng góp hiểu biết số tính chất vật lý gốm KNN nhiệt độ thiêu kết