luận án tiến sĩ chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu áp điện tổ hợp PZT polyme

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC  ĐỖ PHƯƠNG ANH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN TỔ HỢP PZT - POLYME LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HUẾ - 2020 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC  ĐỖ PHƯƠNG ANH CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN TỔ HỢP PZT - POLYME Ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 9440104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS Trương Văn Chương PGS TS Võ Thanh Tùng HUẾ - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, thực Khoa Điện, Điện tử & Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế hướng dẫn TS Trương Văn Chương PGS TS Võ Thanh Tùng Các số liệu kết luận án trung thực, chưa công bố cơng trình khác Tác giả Đỗ Phương Anh i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực luận án, nỗ lực thân, tác giả nhận nhiều giúp đỡ quý báu, vật chất lẫn tinh thần Trước hết, xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc đến tập thể cán hướng dẫn: TS Trương Văn Chương PGS TS Võ Thanh Tùng, người Thầy dành trọn trí tuệ, tâm sức để hướng dẫn giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án tiến sĩ chương trình đào tạo Tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, cán bộ, giảng viên Khoa Điện, Điện tử & Công nghệ Vật liệu, trực tiếp Bộ môn Vật lý Chất rắn (Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế) tạo điều kiện để luận án hoàn thành Xin chân thành cảm ơn BGH Trường THPT Trần Cao Vân, Tp Quy Nhơn, Bình Định ủng hộ vật chất tinh thần suốt thời gian nghiên cứu sinh Tác giả tỏ lòng biết ơn đến Nghiên cứu sinh Bộ môn Vật lý, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế, đồng hữu, anh chị em tình cảm tốt đẹp, giúp đỡ vô tư lúc tác giả khó khăn Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến ba, mẹ người thân hy sinh cao cho tác giả bước đường tìm kiếm tri thức khoa học, động lực to lớn thơi thúc tác giả hồn thành luận án Thành phố Huế, năm 2020 Tác giả luận án ii DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa ADP Ammonium dihydrogen phosphate AgNWs Silver Nanowires: Sợi nano bạc BBT Ba0,7Bi0.2TiO3 BCT Ba1 - xCaxTiO3 BCZT Ba0,85Ca0,15Zr0,1Ti0,9O3 BT BaTiO3 BZT BaZrxTi1 – xO3 CM Comsol Multiphysics CNTs Carbon Nanotubes CTHH Công thức Hóa học CNTs-PVDF (Polyvinylidene Fluoride) pha tạp (Carbon Nanotubes) DMF Dimethyl Formamide đvtđ Đơn vị tùy định EG Ethylene Glycol (C6H6O2) ES Electrospinning FEM Finite Element Method: Phương pháp phần tử hữu hạn FTIR Máy quang phổ hồng ngoại FWHM Full Width at Half Maximum: Độ bán rộng GO Graphene Oxide GO-PVDF HP (Polyvinylidene Fluoride) pha tạp (Graphite Oxide) Hot Pressing ITO Oxit Thiếc Indi KBT K0,5Bi0,5TiO3 KNN K0,5Na0,5NbO3 KNN-LS KNN pha tạp LiSbO3 KNN-LT KNN pha tạp LiTaO3 iii LBT MEMS MPB PEO PMN PMN-PT PT-BF PZN PZN-PT PVDF PZT-PVDF PZT PNR(s) PPT PZT5A PZT5A-PVDF P(VDF-TrFE) P(VDF-Tefe) UV-Vis P(VDCN-VAC) PVP SEM XRD iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC KÝ HIỆU iii MỤC LỤC v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 CÁC LOẠI VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN 1.1.1 Gốm PZT 1.1.2 Các polyme áp điện 11 1.2 VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN TỔ HỢP 16 1.2.1 Các phương thức thiết kế chế tạo vật liệu áp điện kiểu tổ hợp 16 1.2.2 Các kiểu thiết kế biến tử 22 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 27 Chương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SỢI NANO VÀ KEO DẪN ĐIỆN 28 2.1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ TỔNG HỢP MÀNG VẬT LIỆU PVDF, PVDF PHA TẠP 28 2.1.1 Các kĩ thuật phun số ứng dụng 30 2.1.2 Chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01 36 2.1.3 Chế tạo màng vật liệu tổ hợp 39 2.2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KEO DẪN ĐIỆN TỪ DUNG DỊCH SỢI NANO BẠC 54 2.2.1 Tổng quan 55 2.2.2 Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất đặc trưng sợi nano Ag 63 2.2.3 Tổng hợp màng dẫn polyme từ sợi nano bạc 71 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 74 Chương CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP PZT5A-PVDF 76 v 3.1 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA MÀNG TỔ HỢP PZT5A- PVDF BẰNG KĨ THUẬT QUAY ĐIỆN 76 3.1.1 Chế tạo màng vật liệu tổ hợp PZT-PVDF kỹ thuật quay điện .77 3.1.2 Nghiên cứu tính chất vật lý màng tổ hợp PZT5A-PVDF 81 3.2 CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA TỔ HỢP PZT5A-PVDF BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP NÓNG 86 3.2.1 Quy trình chế tạo 87 3.2.2 Nghiên cứu tính chất vật lý tổ hợp PZT5A-PVDF kỹ thuật HP 88 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 97 Chương MÔ PHỎNG BIẾN TỬ DẠNG BIMORPH VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 98 4.1 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BẢN ÁP ĐIỆN NHIỀU LỚP 98 4.1.1 Phương pháp phần tử hữu hạn cho môi trường áp điện .98 4.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn cho áp điện nhiều lớp 101 4.2 MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI DAO ĐỘNG CỦA TẤM ÁP ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM CM 103 4.2.1 Giới thiệu chung phần mềm CM 104 4.2.2 Thiết lập tốn mơ cho biến tử áp điện môi trường COMSOL Multiphysics 104 4.2.3 Một số kết phân tích trạng thái dao động biến tử áp điện phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng chương trình CM 106 4.3 ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI 114 4.3.1 Xây dựng thí nghiệm xác định vận tốc chuyển động 114 4.3.2 Thiết kế biến tử kiểu Bimorph Bimorph hỗn hợp gốm PZT5A 117 4.3.3 Thiết kế chuyển đổi lượng dựa gốm PZT5A, bimorph dạng lớp phức hợp 121 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 123 KẾT LUẬN 125 DANH MỤC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Những tính chất loại gốm áp điện khác Bảng 1.2 Các thuộc tính liên quan đến đầu dị nước điển hình PVDF 14 Bảng 1.3 Các tính chất vật liệu polyme áp điện 15 Bảng 1.4 Hằng số điện môi tương đối (εr), hệ số áp điện (d33, g33) suất Young vật liệu tổ hợp 21 Bảng 2.1 Giá trị EC, Pr màng CNTs-PVDF với nồng độ CNTs khác độ gia tăng kết tinh phương pháp: cán màng (A) quay điện (B) 46 Bảng 2.2 Kí hiệu mẫu vật liệu GO-PVDF 49 Bảng 2.3 Giá trị EC Pr P16 P16-G7 53 Bảng 2.4 Bảng tổng hợp hóa chất cần sử dụng, nguồn gốc, cơng thức hóa học (CTHH) vai trị chúng tương ứng 63 Bảng 2.5 Kí hiệu mẫu giá trị điện trở màng dẫn điện 72 Bảng 3.1 Các thông số biến tử áp điện PZT5A 79 Bảng 3.2 Kí hiệu mẫu tổ hợp PZT5A-PVDF PPQĐ .80 Bảng 3.3 Giá trị EC (kV/cm) Pr (µC/cm ) màng PZT5A-PVDF .86 Bảng 3.4 Kí hiệu mẫu tổ hợp PZT5A-PVDF ép nóng 88 Bảng 3.5 Các giá trị ρ (g/dm ), P (%), εr, d33 (pC/N), g33 (Vm/N) theo tỉ lệ khối lượng PZT5A khác 93 Bảng 3.6 Tính sắt điện tổ hợp PZT5A-PVDF sử dụng phương pháp ép nóng 96 Bảng 4.1 So sánh giá trị cộng hưởng thu từ thực nghiệm FEM gốm áp điện PZT5A 106 Bảng 4.2 So sánh giá trị cộng hưởng thu từ thực nghiệm FEM áp điện PVDF 109 Bảng 4.3 Thơng số kích thước vật liệu bimorph lớp 110 Bảng 4.4 So sánh giá trị cộng hưởng thu từ thực nghiệm FEM 111 bimorph dạng lớp phức hợp 111 Bảng 4.5 So sánh giá trị cộng hưởng thu từ thực nghiệm FEM bimorph dạng lớp phức hợp 112 Bảng 4.6 Thông số d33 sau thiết kế dạng Bimorph hỗn hợp hệ gốm 121 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể perovskite lý tưởng dạng ABO3 Hình 1.2 Giản đồ pha PbZrO3-PbTiO3 .7 Hình 1.3 Mối liên hệ nồng độ PbZrO3 với hệ số liên kết hệ số áp điện Hình 1.4 Sự khác biệt mức độ âm nguồn thu hình trụ rỗng chế tạo từ vật liệu PZT khác 10 Hình 1.5 Cấu trúc pha tinh thể khác PVDF .12 Hình 1.6 Sự chuyển đổi pha PVDF 13 Hình 1.7 Hệ số phẩm chất (FOM - dhgh) loại vật liệu tổ hợp áp điện .17 Hình 1.8 Các kiểu liên kết gốm polyme vật liệu tổ hợp hai pha 18 Hình 1.9 Minh họa mơ hình kết nối tiêu biểu vật liệu tổ hợp 18 Hình 1.10 Biến tử thiết kế kiểu Moonie 23 Hình 1.11 Các cách thiết kế biến tử (a), dạng biến tử Cymbal khác (b) 24 Hình 1.12 Cách thiết kế unimorph (a), chuyển luợng PZT sử dụng đế giày (b, c), thiết bị thu phát sóng gắn chim (d), phát điện sợi vải nano (e) 25 Hình 1.13 Hệ thống biến tử (sona) 2072 để thu/phát tín hiệu, cơng phịng thủ trang bị tàu ngầm 26 Hình 2.1 Các khối thiết bị quay điện 28 o Hình 2.2 Quan sát đầu kim tiêm có bán kính r = 100 µm, đầu giọt góc nón α ≈ 49 (a), hình chụp đầu phun thiết bị E-HUSC Trường ĐHKH Huế (b) .29 Hình 2.3 Một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu cơng nghệ quay điện .30 Hình 2.4 Một số phương án thiết kế khác thiết bị quay điện 31 Hình 2.5 (a) Ảnh sợi định hướng song song thu hai điện cực song song Giọt nước bề mặt tre (b), Si phủ sợi nanô PVB (c), Ảnh SEM sợi nanô PVB (d) Ảnh AFM dãy sợi (e) 32 Hình 2.6 (a) Hình ảnh tổ ong; (b) Mơ q trình phun điện tạo sợi; Ảnh SEM sợi nanô chế tạo quay điện điều kiện khác nhau: (c) PVA, nồng độ 6%, 22 kV, màng plastic; (d) PEO, nồng độ 16%, 19 kV, đế Al; (e) PAN, nồng độ 2%, 22 kV, đế Al 32 Hình 2.7 Cấu tạo máy phát áp điện vi cấu trúc sợi PZT 33 Hình 2.8 Ảnh FE-SEM màng NFN (a) PAA/PVA (b) PAA, (c) hàm thay đổi tần số cảm biến QCM phủ chất đa điện phân với suất tải lớp phủ 600 Hz theo viii [79] Pradhan S.K., Kumar A., Sinha A.N., Kour P., Pandey R., Kumar P., and Kar M (2017), Study of ferroelectric properties on PVDF-PZT nanocomposite, Ferroelectrics, 516 (1), pp 18-27 [80] Pradhan S.K., Kumar A., Kour P., Pandey R., Kumar P., Kar M., and Sinha A.N (2018), Tuning of dielectric and impedance properties of PVDF by incorporation of Mg doped PZT, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 29 (19), pp 16842-16852 [81] Prakash G R., Vinayaka S., Huddar S., and Sheeparamatti B G (2012), Study of Effect on Resonance Frequency of Piezoelectric Unimorph Cantilever for Energy Harvesting, Excerpt from the Proceedings of the 2012 COMSOL Conference in Bangalore, Technical Papers and Presentations, India [82] Qian F., Lan P.C., Freyman M.C., Chen W., Kou T., Olson T.Y., Zhu C., Worsley M.A., Duoss E.B., Spadaccini C.M., Baumann T., and Han T.Y (2017), Ultralight Conductive Silver Nanowire Aerogels, Nano Lett, 17 (12), pp 7171-7176 [83] R Ghosh A.T., A V Juliet, E P Braineard (2018), Simulation and Analysis of MEMS based Multistep Piezoelectric Actuator, International Journal of Pure and Applied Mathematics, Vol 118, No 20, pp 277-281 [84] Ramachandran N.V (2018), Development to a Flexible Surface acoustic Wave Sensor for Strain Sensing, Dissertations and Theses, 420, Aeronautical Univerity., [85] Ramadan K.S., Sameoto D., and Evoy S (2014), A review of piezoelectric polymers as functional materials for electromechanical transducers, Smart Materials and Structures, 23, pp [86] Rawat R S (2015), Dense Plasma Focus - From Alternative Fusion Source to Versatile High Energy Density Plasma Source for Plasma Nanotechnology, Journal of Physics, 591, pp 012021 [87] Revathi S., Kennedy L.J., Basha S.K.K., and Padmanabhan R (2018), Synthesis, Structural, Optical and Dielectric Properties of Nanostructured 0-3 PZT/PVDF Composite Films, J Nanosci Nanotechnol, 18 (7), pp 4953-4962 [88] Ricardo L B., Walter K S., and Luciana P S F (2018), Characterization of PZT/PVDF Composite Film as Functional Material, IEEE Sensors Journal, 18 (12), pp 5067-5072 [89] Rui Y., Zhao W., Zhu D., Wang H., Song G., Swihart M.T., Wan N., Gu D., Tang X., Yang Y., and Zhang T (2018), Understanding the Effects of NaCl, NaBr and Their 137 Mixtures on Silver Nanowire Nucleation and Growth in Terms of the Distribution of Electron Traps in Silver Halide Crystals, Nanomaterials (Basel), (3), pp 1-15 [90] Ryu J., Eom S., Li P., Liow C H., and Hong S (2019), Ferroelectric Polymer PVDF-Based Nanogenerator, Nanogenerator, pp 1-22 [91] Safaei M., Sodano H.A., and Anton S.R (2019), A review of energy harvesting using piezoelectric materials: state-of-the-art a decade later (2008–2018), Smart Materials and Structures, 28 (11) [92] Sahay R., Thavasi V., and Ramakrishna S (2011), Design Modifications in Electrospinning Setup for Advanced Applications, Journal of Nanomaterials, 2011, pp 1-17 [93] Salas C (2017), Solution electrospinning of nanofibers: Electrospun Nanofibers [94] Salem A., Zhe W., and Xiangqun Z (2015), Poly (vinylidene fluoride) / Poly (acrylonitrile)-based Superior Hydrophobic Piezoelectric Solid Derived by Aligned Carbon Nanotube in Electrospinning: Fabrication, the Phase Converion and surface energy, RSC Advance, 5, pp 76383 [95] Schmidt S.L.R (2004), Nonlinear finite element modelling of composite structures with integrated piezoelectric layers, 2004 WIT Press, ww.witpress.com, ISBN 1-85312-717-5 [96] Seema A., Dayas K.R., and Varghese J.M (2007), PVDF-PZT-5H composites prepared by hot press and tape casting techniques, Journal of Applied Polymer Science, 106 (1), pp 146-151 [97] Shah F., Haojie Y., Fazal H., Zheping N., and Muhammad U (2020), Synthesis of corrugated surface AgNWs and their applications in surface enhanced Raman spectroscopy, CrystEngComm: Journal, 22 (12), pp 2183-2196 [98] Shenck N.S and Paradiso J.A (2001), Energy scavenging with shoe- mounted piezoelectrics, IEEE Sensors Journal, 21(3), pp 31-42 [99] Singh P., Borkar H., Singh B.P., Singh V.N., and Kumar A (2014), Ferroelectric polymer-ceramic composite thick films for energy storage applications, AIP Advances, 4, pp [100] Singh P., Borkar H., Singh B.P., Singh V.N., and Kumar A (2015), Electro-mechanical properties of free standing micro- and nano-scale polymer-ceramic composites for energy density capacitors, Journal of Alloys and Compounds, 648, pp 698-705 138 [101] Sohn H., Park C., Oh J.M., Kang S.W., and Kim M.J (2019), Silver Nanowire Networks: Mechano-Electric Properties and Applications, Materials (Basel), 12, pp 16 [102] Srinivasa Rao K., Srinivas G., S Prasad M., Srinivas Y., Shudheer B., and Venkateswar Rao A (2013), Design and Simulation of MEMS Based Piezoelectric Shear Actuated Beam, American Journal of Materials Science, (6), pp 179-184 [103] Stroyan J.J (2004), Processing and characterization of PVDF, PVDF-TrFE, and PVDF-TrFE-PZT, and composites, Master of science in materials science engineering [104] Swain S (2010), Synthesis and characterization of polymer ceramic composites, Master of Science, National Institute of Technology, Rourkela [105] Tairidis G., Foutsitzi G., and Stavroulakis G E (2018), A multi-layer piezocomposite model and application on controlled smart structures, Advances in mechanics of materials and structural analysis, Advanced structured materials 80, pp 365-384 [106] Tao J and Hu J (2016), Energy harvesting from pavement via polyvinylidene fluoride: hybrid piezo-pyroelectric effects, Journal of Zhejiang University-SCIENCE A, 17 (7), pp 502-511 [107] Tate I.V., Roy S., and Jagtap K.R (2014), Delamination Detection of Composite Cantilever Beam Coupled With Piezoelectric Transducer Using Natural Frequency Deviation, Procedia Engineering, 97, pp 1293-1304 [108] Tian G., Deng W., Gao Y., Xiong D., Yan C., He X., Yang T., Jin L., Chu X., Zhang H., Yan W., and Yang W (2019), Rich lamellar crystal baklava-structured PZT/PVDF piezoelectric sensor toward individual table tennis training, Nano Energy, 59, pp 574-581 [109] Tiwari V and Srivastava G (2014), Effect of thermal processing conditions on the structure and dielectric properties of PVDF films, Journal of Polymer Research, 21, pp 11 [110] Tiwari V and Srivastava G (2016), Enhanced dielectric and piezoelectric properties of 0–3 PZT/PVDF composites, Journal of Polymer Research, 23, pp [111] Tuan D A., Tung V T., and Phuong L V (2014), Analyzing 2D Structure Images of Piezoelectric Ceramics Using ImageJ, International Journal of Materials and Chemistry 2014, 4(4), pp 88-91 [112] Uchino K (2017), Piezoelectric Composite Materials, Advanced Piezoelectric Materials, 9, pp 353 [113] Verónica C., Jessica J., Enrique T., Jorge R., Darío B., and Ronald F (2011), Preparation of Electrospun Barium Titanate – Polyvinylidene Fluoride Piezoelectric Membranes, Advanced Electron Microscopy and Nanomaterials, 644, pp 33-37 139 [114] Vincenzini P and Skaarup S (2013), Electroactive Polymers: Advances in Materials and Devices, Advances in Science and Technology, 79 [115] Wan C and Bowen C.R (2017), Multiscale-structuring of polyvinylidene fluoride for energy harvesting: the impact of molecular-, micro- and macro-structure, Journal of Materials Chemistry A, (7), pp 3091-3128 [116] Wang L., Zhao L., Jiang Z., Luo G., Yang P., Han X., Li X., and Maeda R (2019), High accuracy comsol simulation method of bimorph cantilever for piezoelectric vibration energy harvesting, AIP Advances, (095067) [117] Wang X., Ding B., Sun G., Wang M., and Yu J (2013), Electro- spinning/netting: A strategy for the fabrication of three-dimensional polymer nanofiber/nets, Prog Mater Sci, 58 (8), pp 1173-1243 [118] Xiao-Pei H., Da-Wei D., Kai Z., Ying-Chun Z., Sheng-Qi C., Jing Z., Ya- Ning X., Dong G., and Jiang-Li C (2013), Influences of the Amorphous Phase on Local Structures and Properties of Ferroelectric Thin Films, Ferroelectrics, 453 (1), pp 149-155 [119] Xiaomei W., Fazhe S., Guangchao Y., Yuting W., Bo L., and Mingdong D (2018), Tactile-Sensing Based on Flexible PVDF Nanofibers via Electrospinning: A Review, Sensors 2018, 18, pp 330 [120] Xu F., Xu W., Mao B., Shen W., Yu Y., Tan R., and Song W (2018), Preparation and cold welding of silver nanowire based transparent electrodes with optical transmittances >90% and sheet resistances