Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu PZT pha tạp. Để đánh giá quy trình công nghệ đã tiến hành tổng hợp hệ gốm PZT.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 113 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ TỔNG HỢP VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN PZT PHA TẠP RESEARCH ON BUILDING TECHNOLOGY PROCESS OF DOPING PZT PIEZOELECTRIC MATERIALS Nguyễn Văn Thịnh Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; thinhdhdn@gmail.com Tóm tắt - Khoa học vật liệu lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp, phân tích, ứng dụng vật liệu Vật liệu áp điện PZT pha tạp dùng chế tạo biến tử phát, thu sóng siêu âm Về việc độc quyền công nghệ hãng gốm áp điện thương mại công bố thông số, ứng dụng cịn cơng thức vật liệu, quy trình cơng nghệ ln giữ bí mật Trong này, trình bày kết nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu PZT pha tạp Để đánh giá quy trình cơng nghệ tiến hành tổng hợp hệ gốm PZT Kết quả, chế tạo thành công hệ gốm Pb0,96Sr0,04(Zr0,53Ti0,47)0,996O3 + 0,4% mol MnO2 thiêu kết 11500C, thông số điện môi, sắt điện, áp điện tốt: 𝜌= 7,66 (g/cm3), kp = 0,58, d33 = 330 (pC/N), Tc = 3420C, Qm = 527, EC = 6,8 kV/cm, Pr = 23,5 µC/cm2 So sánh kết thơng số cao PZT- Hãng Morgan - Mỹ Abstract - Materials science is a science of researching, synthesizing, analyzing and applying new materials Piezoelectric material based on doping PZT is used to fabricate transmiting and recieving ultrasonic elements All commercialized ultrasonic elements manufacturers just reveal the final specifications of their products , and keep the formular, the technology process secret This paper demonstrates the research of building the techology process for synthesizing doped PZT materials The results of this research is the ceramic system of Pb0,96Sr0,04(Zr0,53Ti0,47)0,996O3 + 0,4% mol MnO2 caking at 11500C, with dielectric, ferroelectric, piezoelectric parameters: 𝜌= 7,66 (g/cm3), kp = 0,58, d33 = 330 (pC/N), Tc = 3420C, Qm = 527, EC = 6,8 kV/cm, Pr = 23,5 µC/cm2.These results are better than the PZT - specifications.of US Morgan manufacturer Từ khóa - Gốm áp điện; PZT pha tạp; gốm áp điện cứng; hệ số áp điện d33; nhiệt độ Curie TC Key words - Piezoelectric ceramics; PZT doping; hard piezoelectric ceramics; d33 piezoelectric factor ; Curie TC temperature Đặt vấn đề Xuất phát từ tính chất hiệu ứng áp điện thuận ngược cho thấy gốm áp điện sơ cho việc chế tạo phần tử chuyển đổi lượng điện – cơ, – điện, điển hình biến tử phát thu sóng siêu âm chế tạo từ gốm áp điện PZT pha tạp, từ để phát triển lĩnh vực siêu âm, thủy âm ứng dụng Hiện nay, kỹ thuật siêu âm phát triển nhanh chóng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực: khoa học công nghệ, công nghiệp, nông nghiệp, môi trường, y học… Cụ thể, ứng dụng siêu âm để tổng hợp vật liệu vơ cơ, hữu cơ, vật liệu điện tử có cấu trúc nano; công nghiệp ứng dụng để hàn siêu âm, khoan siêu âm, kiểm tra không phá huỷ, tẩy rửa; xử lý môi trường, siêu âm trọng tác nhân siêu oxy hóa tiên tiến; y học ứng dụng để chẩn đốn bệnh, chiết tách liệu… Trong qn cơng nghệ, siêu âm nước gọi thủy âm ứng dụng thiết bị sonar thụ động sonar chủ động trang bị cho hệ thống săn ngầm quân chủng hải quân Có thể nói, ngự trị khơng trung sóng điện từ nước sóng âm, siêu âm mà phần tử biến tử siêu âm gốm áp điện [1, 2] Tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng vật liệu gốm áp điện, giới có hãng Morgan – Mỹ sản xuất gốm áp điện thương mại, có nhiều cơng trình khoa học cơng bố loại gốm áp điện khác tùy theo mục đích ứng dụng [1, 2] Tuy nhiên, tồn thực trạng việc độc quyền công nghệ, hãng sản xuất gốm áp điện thương mại cơng trình khoa học công bố tên thương mại, thông số đặc trưng ứng dụng, cịn cơng thức vật liệu, quy trình cơng nghệ ln giữ bí mật Như vậy, với mục tiêu chủ động chế tạo hệ gốm áp điện PZT pha tạp phù hợp với yêu cầu ứng dụng, vấn đề cần đặt phải giải là: Thứ nhất, cần phải nghiên cứu xác định công thức vật liệu PZT, thành phần nồng độ tạp pha vào để biến tính hóa vật liệu tạo hệ gốm áp điện PZT pha tạp cứng mềm có thơng số đặc trưng cao, đặc biệt ổn định điều kiện chịu tác động mức kích thích cao, thời gian dài Vật liệu áp điện cứng dùng để chế tạo biến tử phát sóng siêu âm, vật liệu áp điện mềm dùng để chế tạo biến tử thu sóng siêu âm, cảm biến siêu âm [1] Thứ hai, cần nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp Thứ ba, cần phải xác định thông số đặc trưng theo chuẩn quốc tế IRE – 61 vật liệu áp điện Các vấn đề đặt giải với mục đích là: Tổng quan sở lý thuyết vật liệu áp điện PZT, từ chọn thành phần hệ vật liệu cơng thức cụ thể Xây dựng hồn thiện quy trình cơng nghệ với cơng đoạn cụ thể, giải thích chế rõ ràng Từ quy trình cơng nghệ xây dựng, tổng hợp hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp theo công thức chọn Tiến hành khảo sát điều kiện thông số đặc trưng vật liệu tổng hợp vật liệu gốm áp điện biến tử siêu âm công suất hãng Morgan chế tạo, có tên thương mại PZT - Kết khảo sát từ hai hệ gốm làm sở so sánh, đánh giá quy trình cơng nghệ đề xuất Cơ sở lý thuyết vật liệu áp điện PZT Gốm áp điện vật liệu có cấu trúc đa tinh thể, tồn nhiều đômen vi tinh thể theo phương khác nhau, chưa phân cực điện trường ngoài, tổng mô-men lưỡng cực điện tinh thể Sau phân cực điện trường ngoài, cấu trúc đômen xếp lại theo Nguyễn Văn Thịnh 114 phương cố định, mô-men lưỡng cực điện khác 0, vật liệu tồn tính chất áp điện Khi cấu trúc đômen xếp lại xác định phương điện trường áp đặt lên gốm áp điện phương dao động học, ngược lại, xác định phương ứng suất học lên gốm điện trường sinh Đây yếu tố định tính chất hiệu ứng áp điện thuận ngược [4] Vật liệu áp điện phải tổng hợp sở đa tinh thể có cấu trúc pha hình thái tứ giác hay mặt thoi, với hai pha hình thái tồn nhiều phương cho trình quay cố định cấu trúc đơmen sau phân cực điện trường ngồi Đối với pha hình thái lập phương đối xứng mặt trục nên khơng tồn phương phân cực, đó, khơng cố định phương cấu trúc đômen tinh thể Hình giản đồ chuyển pha hình thái học theo nhiệt độ gốm áp điện PZT, phối liệu từ hai thành phần có cấu trúc perovskite ABO3 PbTiO3 PbZrO3 Đây sơ cho việc chọn thành phần PZT xác định nhiệt độ Curie Tc vật liệu [4] Hình Giản đồ pha hình thái học theo nhiệt độ gốm áp điện PZT [4] Từ giản đồ cho thấy, trục hồnh biểu diễn tỷ lệ thành phần Zr/Ti, phía phải giàu Ti, phái trái giàu Zr, trục tung biểu diễn phụ thuộc nhiệt độ theo tỷ lệ thành phần Zr/Ti Giản đồ chuyển pha theo nhiệt độ chia thành vùng chính: PC vùng pha tinh thể lập phương, FT vùng pha tinh thể tứ giác FR pha tinh thể mặt thoi Đường phân chia pha lập phương pha tứ giác, mặt thoi biểu diễn biến thiên nhiệt độ; đường phân chia pha tứ giác mặt thoi gọi biên pha hình thái học (Morphotropic Phase Boundary – MPB) Tại nhiệt độ phòng, MPB nằm lân cận tỷ lệ thành phần Zr/Ti: 51/49, 52/48, 53/47 Điều đáng ý MPB có nhiệt độ ổn định cao, khoảng 360°C Mặt khác, lân cận MPB tồn hai pha tứ giác mặt thoi nên vật liệu có tính chất áp điện tốt Khi nhiệt độ cao nhiệt độ Curie, vật liệu chuyển sang pha lập phương, vật liệu tính chất áp điện Như vậy, việc chọn hệ vật liệu có tỷ lệ thành phần lân cận biên pha hình thái học có tính chất áp điện nhiệt độ Curie cao vấn đề quan trọng quy trình cơng nghệ chế tạo gốm áp điện [5] Giản đồ pha hình thái học sở để chọn vật liệu PZT theo tỷ lệ thành phần Zr/Ti lân cận MPB từ hai nguyên liệu rắn PbTiO3 PbZrO3 Một vấn đề quan trọng việc tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp nhằm biến tính hóa vật liệu để có thơng số phù hợp với mục đích ứng dụng Với vật liệu áp điện sở cấu trúc perovskit ABO3, thường sử dụng phương pháp pha tạp cứng mềm Pha tạp cứng thay ion có hóa trị thấp hóa trị ion vị trí A B Các ion có bán kính nhỏ K+, Na+, chiếm vị trí A thay cho ion Pb2+, ion có bán kính lớn Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Mn2+, Ni2+, Mg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Cr3+ chiếm vị trí B thay cho Zr4+ Ti4+ Hiệu ứng cứng hoá tạp cứng việc tạo chỗ khuyết O (Vacancy O) mạng Pha tạp mềm thay ion có hóa trị cao hóa trị ion vị trí A B Các ion có bán kính lớn La3+, Nd3+, Sb3+, Bi3+, Th4+, chiếm vị trí A thay cho ion Pb2+, ion có bán kính nhỏ Nb5+, Ta5+, Sb5+, W6+, chiếm vị trí B thay cho Zr4+ Ti4+ Hiệu ứng mềm hoá tạp mềm việc tạo chỗ khuyết Pb (Vacancy Pb) mạng Kết quả, pha tạp cứng hay mềm vào vật liệu áp điện PZT sinh hiệu ứng khuyết nguyên tử Pb, O mạng cấu trúc perovskit ABO3, dẫn đến dịch chuyển nguyên tử dễ dàng hơn, từ vách đơmen dễ dàng biến dạng cho dù tác động điện trường ứng suất nhỏ [8] Quy trình công nghệ tổng hợp gốm áp điện PZT Từ sở lý thuyết xác định công thức vật liệu gốm áp điện PZT pha tạp cho thấy thành phần vật liệu tạp chủ yếu chất rắn dạng bột sau tổng hợp thành vật liệu gốm Do đó, quy trình cơng nghệ tổng hợp gốm áp điện cần quan tâm đưa công đoạn: xử lý hỗn hợp đạt độ mịn đồng phương pháp nghiền trộn; hỗn hợp sau nghiền trộn lần phải ép nung sơ để chất dễ dàng phản ứng pha rắn theo chế nguyên tử mạng tinh thể; sau nung sơ cần phải tiếp tục nghiền trộn lần hai nhằm tạo đồng hợp chất để phản ứng pha rắn xảy hồn tồn cơng đoạn nung thiêu kết; vật liệu sau nung thiêu kết tạo thành gốm chưa có tính áp điện cấu trúc đơmen vật liệu hỗn độn Để khảo sát thông số đặc trưng vật liệu công đoạn tiếp theo, cần phải gia công mẫu theo chuẩn quốc tế IRE – 61, phủ cực phân cực Phân cực gốm áp điện trình xếp, cố định cấu trúc đômen vật liệu theo phương xác định tác dụng điện trường chiều [6, 7] Các cơng đoạn quy trình khảo sát thực nghiệm chọn chế độ tối ưu Hình cơng đoạn quy trình công nghệ tổng hợp gốm áp điện PZT pha tạp Hình Quy trình tổng hợp gốm áp điện PZT Công đoạn 1: Chuẩn bị vật liệu Vật liệu chuẩn bị sở công thức hệ gốm chọn, thành phần phối liệu ban đầu oxit, vật liệu PZT gồm PbO, ZrO2, TiO2, thành phần tạp pha vào tùy thuộc việc pha tạp cứng hay mềm Tất thành phần nguyên liệu phải có độ tinh khiết 99%, cân cân điện tử độ xác 10-4 gam ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN Công đoạn 2: Nghiền, trộn lần Cơng đoạn có ý nghĩa quan trọng nhằm tạo đồng gốm, cần làm cho hạt đạt độ mịn trộn lẫn đồng đều, dễ dàng tạo phản ứng pha rắn theo nguyên lý khuếch tán nguyên tử cơng đoạn nung, u cầu đường kính hạt phải nhỏ 2µm Cần phải lưu ý đến việc tạp chất lẫn vào trình nghiền, trộn Để hạn chế tối đa ảnh hưởng này, trình nghiền trộn tiến hành máy nghiền hành tinh PM400/2 –MA-Type sử dụng bi zirconia thời gian 20 [7] Công đoạn 3: Ép, nung sơ Hỗn hợp vật liệu rắn sau nghiền lần ép thành viên dạng đĩa đường kính 30 mm, lực ép 1.500 kg/1cm2 Với vật liệu áp điện PZT pha tạp, chọn nhiệt độ nung 850°C, tốc độ gia nhiệt 5°C/phút, giữ nhiệt độ 850°C Công đoạn tổng hợp hợp chất phản ứng pha rắn xảy có khuếch tán nguyên tử hạt nằm kề nhau, nhiệt độ thấp nhiệt độ nóng chảy vật liệu tham gia Cơ chế gồm trình vật lý xảy giai đoạn nung sơ bộ, là: Sự giãn nở tuyến tính hạt khoảng nhiệt độ phòng đến 400°C; phản ứng pha rắn khoảng 400°C - 750°C; co ngót vật liệu khoảng 750°C - 800°C cuối phát triển cỡ hạt nhiệt độ 800°C [6] Công đoạn 4: Nghiền lần Sau nung sơ bộ, tiến hành nghiền lần máy nghiền hành tinh thời gian 15 Mục đích nghiền trộn lần nhằm tạo đồng hợp chất giảm kích thước hạt, giúp chất tham gia phản ứng pha rắn xảy hoàn toàn giai đoạn thiêu kết Độ mịn độ đồng hạt ảnh hưởng lớn đến chất lượng gốm sau thiêu kết [7] Công đoạn 5: Ép, nung thiêu kết Hỗn hợp vật liệu rắn sau nghiền lần ép thành nhiều viên dạng đĩa đường kính 1,2 mm, chiều dày 1,4 mm, lực ép 150 kg/1cm2 Với vật liệu áp điện PZT pha tạp, chọn nhiệt độ nung thiêu kết 1.150°C, tốc độ gia nhiệt 5°C/phút, giữ nhiệt độ 1.150°C Công đoạn 6: Xử lý mẫu Tạo mẫu có kích thước theo chuẩn quốc tế IRE – 61 vật liệu áp điện, nhằm chuẩn bị cho công đoạn đo khảo sát thông số áp điện Bề mặt mẫu mài giấy nhám có độ mịn tăng dần máy mài Labpol Duo8 đạt độ dày mong muốn, sau rửa mẫu siêu âm trước tạo điện cực Đặc biệt ý độ phẳng bề mặt song phẳng hai bề mặt mẫu Bước 7: Phủ điện cực Yêu cầu điện cực gốm áp điện có độ dẫn điện tốt, độ bám dính cao khơng bị phá huỷ phân cực nhiệt độ điện trường cao Quá trình phủ điện cực tiến hành sau: Mẫu nung đến nhiệt độ 400°C quét lớp nhũ chứa oxit bạc lên hai bề mặt mẫu thời gian 20 phút Ở nhiệt độ 400°C, oxit bạc lớp nhũ phân huỷ thành kim loại Ag bám vào mẫu Bước 8: Phân cực, khảo sát Trước phân cực, gốm sắt điện khơng có tính áp điện phân bố hỗn độn đômen sắt điện Phân cực 115 q trình định hướng cố định đơmen theo chiều điện trường Mẫu sau gia cơng có bề dày mm, phân cực điện trường 30 kV/cm dầu silicon nhiệt độ 120°C, thời gian 30 phút Kết tổng hợp hệ gốm áp điện có cơng thức Pb0,96Sr0,04(Zr0,53Ti0,47)0,996O3 + 0,4% mol MnO2 Từ sở lý thuyết việc chọn công thức vật liệu, nghiên cứu này, chọn hệ gốm có cơng thức với thành phần Pb0,96Sr0,04(Zr0,53Ti0,47)0,996O3 + 0,4% mol MnO2 (PSZTM) Trong đó, vật liệu PZT chọn tỷ lệ thành phần theo khối lượng Zr/Ti = 53/47, lân cận biên pha hình thái học Vật liệu cứng hóa cách pha tạp đẳng trị Sr2+ tạp cứng Mn2+ vào PZT Thực nghiệm tiến hành theo quy trình cơng nghệ xây dựng, Phịng Thí nghiệm Khoa học vật liệu, Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế Các thông số điện môi, sắt điện, áp điện đo thiết bị LCR Hioki 3532 Impedance HP 4193A tự đô ̣ng hóa, phân cực gốm nguồn cao áp DC điều chỉnh – 40 kV Cấu trúc đo phương pháp nhiễu xạ tia X thiết bị D8 ADVANCE - Bruker Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, vi cấu trúc chụp ảnh SEM thiết bị S4800 – NIHE Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 4.1 Tính chất điện môi, sắt điện Hằng số điện môi tương đối phổ phụ thuộc số điện môi theo nhiệt độ, đươ ̣c đo ̣ đo LCR- Hioki 3532 tự ̣ng hóa  Hình Sự phụ thuộc số điện mơi vào nhiệt độ Từ Hình cho thấy đường đặc trưng ,  tương ứng biểu diễn phụ thuộc số điện môi, tổn hao điện môi theo nhiệt độ Ứng với nhiệt độ thấp, số điện môi tổn hao điên mơi tanδ bé, khoảng nhiệt độ này, pha hình thái học vật liệu pha tứ giác, vật liệu có tính áp điện tốt Tại nhiệt độ TC số điện môi tổn hao điện môi lớn, nhiệt độ chuyển pha vật liệu, tăng nhiệt độ lớn nhiệt độ TC, chuyển pha vật liệu xảy hoàn toàn, pha hình thái học vật liệu pha lập phương, tính áp điện vật liệu Điểm đáng ý vật liệu có đặc trưng chuyển pha sắc nét, khơng phải chuyển pha nhịe Kết hoàn toàn phù hợp với đặc trưng chuyển pha vật liệu cấu trúc perovskite ABO3 pha tạp [5] Đường trễ sắt điện đo phương pháp SawyerTower, điện trường xoay chiều áp đặt lên mẫu tăng dần từ V đến đường trễ đạt trạng thái bão hịa Hình cho thấy, đường trễ có dạng đặc trưng vật liệu sắt điện thường điển hình Trường điện kháng Ec = 6,8 (kV/cm) độ phân cực dư Pr = 23,5 (µC/cm2) Nguyễn Văn Thịnh 116 30 P (µC/cm ) M 2LBO 20 10 -15 -10 -5 -10 10 15 E (kV/cm) -20 -30 a = b = 4.0550 A0, c = 4.1100A0,  =  =  = 90° Vật liệu gốm có cấu trúc tứ giác điển hình, với vạch kép xuất vị trí ứng với góc 2θ khoảng 22°, 31°, 44,5° – 50°, vạch đơn 38,2° Với cấu trúc tinh thể vậy, kết luận mẫu vật liệu tổng hợp có thành phần nằm lân cận biên pha hình thái học hồn tồn phù hợp với cơng thức vật liệu chọn Hình Đường trễ sắt điện 4.2 Tính chất áp điện Để nghiên cứu tính chất áp điện, chúng tơi chế tạo mẫu theo hình dạng kích thước phù hợp với chuẩn quốc tế IRE – 61 áp điện, mẫu tạo điện cực Ag phân cực theo phương thích hợp, nhằm thu kiểu dao động tương ứng Nhiệt độ phân cực chọn 120°C, điê ̣n trường phân cực 30 kV/cm, thời gian 30 phút Phổ dao đô ̣ng cô ̣ng hưởng đo các ̣ đo LCR Hioki 3532 Impedance HP 4193A tự ̣ng hóa Hình Phổ nhiễu xạ tia X 4.4 Khảo sát vi cấu trúc Vi cấu trúc khảo sát phương pháp chụp ảnh SEM thiết bị S4800 – NIHE Hình Phổ dao động cộng hưởng theo phương bán kính Hình Ảnh SEM chụp chế độ phóng đại khác Hình ảnh SEM mẫu vật liệu chụp độ phóng đại khác Mẫu gốm khơng qua bước xử lý hóa học nào, bẻ ngẫu nhiên rửa siêu âm trước chụp Điểm đáng ý từ vi cấu trúc cho thấy hạt có hình thành cấu trúc vách đơmen dạng xếp chồng [6] Hình Phổ dao động cộng hưởng theo phương chiều dày Hình kết đo phổ cộng hưởng mẫu gốm theo phương bán kính chiều dày Các đường đặc trưng ,  tương ứng biểu diễn phụ thuộc pha phổ dao động cộng hưởng, tổng trở gốm áp điện theo tần số tín hiệu kích thích Từ đường đặc trưng cho thấy tổng trở có giá trị nhỏ Zmin dao động cộng hưởng bắt đầu xảy ra, tần số ứng với Zmin gọi tần số cộng hưởng, tổng trở có giá trị lớn Zmax khơng cịn dao động cộng hưởng, tần số ứng với Zmax gọi tần số phản cộng hưởng Đặc trưng phổ dao động cộng hưởng khoảng tần số cộng hưởng phản cộng hưởng có độ vng rõ nét, thể tính chất áp điện vật liệu tác động nguồn tín hiệu kích thích [4] 4.3 Khảo sát cấu trúc Cấu trúc vật liệu khảo sát phương pháp đo phổ nhiễu xạ tia X thiết bị D8 ADVANCE –Bruker Hình kết đo phổ nhiễu xạ tia X, cho thấy vạch nhiễu xạ vật liệu trùng với vạch nhiễu xạ đặc trưng vật liệu Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 có thơng số mạng Hình Ảnh SEM chụp chế độ phóng đại cao Hình ảnh SEM có phóng đại cao, cho thấy vật liệu có cấu trúc tứ giác nên ảnh xuất hai loại cấu trúc đômen 109° 71° Đômen 71° dạng tấm, độ rộng vách đômen khoảng 150 nm, với kiểu cấu trúc vách đômen hoàn toàn phù hợp với gốm áp điện PZT pha tạp Đây kết mong đợi vật liệu có tính chất áp điện vật liệu tồn cấu trúc vách đômen biến dạng vách đômen tác động điện trường ứng suất học [6] So sánh kết gốm PSZTM tổng hợp với gốm PZT – hãng Morgan – Mỹ Về công thức vật liệu quy trình cơng nghệ hãng gốm thương mại Morgan – Mỹ ln giữ bí mật, cơng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN bố tên thương mại thơng số bản, qua số liệu để tham khảo bước đầu Để có sở so sánh đáng tin cậy, tiến hành khảo sát đồng thời điều kiện thông số điện môi, sắt điện, áp điện theo chuẩn quốc tế IRE – 61 loại gốm áp điện lấy từ biến tử siêu âm thiết bị siêu âm công suất hãng Morgan cung cấp, có tên thương mại PZT – loại gốm PSZTM tổng hợp Bảng Một số thông số gốm PSZTM PZT - d33 Qm (pC/N) Tc (°C) Ec Pr ρ(g/cm3) (kV/cm) (µC/cm2) Loa ̣i gố m kp PZT- 0,56 307 575 355 7,2 25 7,70 PSZTM 0,58 330 527 342 6,8 23,5 7,66 Trong đó: kp hệ số liên kết điện cơ; d33 hệ số áp điện; Qm hệ số phẩm chất; TC nhiệt độ Curie; EC trường điện kháng; Pr độ phân cực từ dư; ρ khối lượng riêng So sánh kết cho thấy gốm PSZTM có hệ số liên kết điện kp hệ số áp điện d33 cao gốm PZT – Hệ số phẩm chất Qm nhiệt độ Curie TC thấp không đáng kể so với PZT – 4, cịn thơng số khác gần tương đương Sự chênh lệch số liệu hai hệ gốm cho thấy hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, theo quy luật chung, pha tạp cứng vào vật liệu PZT làm tăng hệ số kP, d33 giảm Qm TC; ngược lại, pha tạp mềm vào vật liệu PZT làm giảm hệ số kP, d33 tăng Qm TC Lý thuyết thực nghiệm rằng, bốn thông số kP, d33 Qm, TC không tăng hay giảm đồng thời Tùy theo mục đích ứng dụng mà pha tạp cứng hay mềm để chọn thông số phù hợp [4] Qua bảng so sánh số liệu cho thấy từ việc phân tích sở lý thuyết để xác định thành phần công thức vật liệu, xây dựng quy trình cơng nghệ, đến thực nghiệm tổng hợp thành công hệ gốm áp điện PSZTM có thơng số vật lý đặc trưng, tương đương hệ gốm hãng Morgan – Mỹ chế tạo Kết luận rằng, cơng thức vật liệu quy trình cơng nghệ xây dựng sở để tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp Kết luận Như vậy, vấn đề đặt giải là: Tổng quan lý thuyết vật liệu áp điện PZT pha tạp cứng mềm, phân tích chế q trình chuyển pha hình thái phản ứng pha rắn công đoạn nung vật liệu, chế hình thành cấu trúc vách đơmen q trình phân cực Từ đó, làm sở cho vấn đề chọn công thức vật liệu, xây dựng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện Đã chọn thành phần công thức hệ vật liệu gốm áp điện cứng pha tạp đẳng trị Sr tạp cứng Mn 117 Xây dựng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện với cơng đoạn có giải thích chế rõ ràng Từ quy trình cơng nghệ tổng hợp thành cơng hệ vật liệu gốm áp điện Pb0,96Sr0,04(Zr0,53Ti0,47)0,996O3 + 0,4% mol MnO2 Các đặc tính vật liệu khảo sát thiết bị phân tích chất rắn đại như: hệ đo thông số áp điện Hioki 3532 Impedance HP 4193A tự động hóa, XRD, SEM Kết thu cho thấy phù hợp với lý thuyết, thông số đặc trưng gốm PSZTM tương đương gốm PZT – hãng Morgan – Mỹ cơng bố Theo đó, khẳng định cơng thức vật liệu hệ gốm áp điện cứng chọn quy trình cơng nghệ xây dựng hồn hảo Kết nghiên cứu làm chủ công nghệ tổng hợp vật liệu gốm áp điện PZT pha tạp Kết nghiên cứu sở cho hướng nghiên cứu như: sản xuất gốm áp điện với số lượng lớn, chế tạo biến tử siêu âm gốm áp điện thiết bị siêu cơng suất LỜI CẢM ƠN Cơng trình thực với hỗ trợ kinh phí đề tài nghiên cứu khoa học cấp Đại học Đà Nẵng, phê duyệt năm 2017, “Nghiên cứu tổng hợp, phân tích hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp ứng dụng chế tạo biến tử siêu âm công suất cao” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dong Chen, Sanjay K Sharma, Ackmez Mudhoo, Handbook on Applications of Ultrasound, Taylor & Francis Group, LLC, 2012 [2] Juan A Gallego-Juarez and Karl F Graff, Power Ultrasonics Applications of High-intensity Ultrasound, Woodhead Publishing 2015 [3] Walter Heywang, Karl Lubitz, WolframWersing, Piezoelectricity Evolution and Future of a Technology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008 [4] Kenji Uchino, Advanced piezoelectric materials, Woodhead Publishing Limited, 2009 [5] T Asada1 and Y Koyama, “Ferroelectric domain structures around the morphotropic phase boundary of the piezoelectric material PbZr1−xTixO3”, Physical Rewiew, B 75, 214111, 2007 [6] N Iwaji, C Sakaki, N Wada, H Takagi,and Sh Mori, “Ferroelectric domain structures and piezoelectric properties of Pb(Zr,Ti)O3 ceramics”, Engineering Materials, Vol 485, 2011, pp 3-6, 10.4028/www.scientific.net/KEM.485.3 [7] J S Lee, M S Choi, Nguyen Viet Hung, Y S Kim, I W Kim, E C Park, S J Jeong, J S Song, “Effects of high energy ball-milling on the sintering behavior and piezoelectric properties of PZT-based ceramics”, Ceramics International, 33, 2007, pp 1283–1286 [8] I Kozielski, M Adamczyk, J Erhart, “Amplication Testing of Sr doping effect of PZT cemaríc on the piezoelectric tranfomer gain and efficiency proposed for MEMS actuators driving”, J electroceram, 29, 2012, pp 133-138, DOI 10.1007/s10832-0129746z (BBT nhận bài: 06/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 30/10/2017) ... cơng nghệ tổng hợp gốm áp điện PZT pha tạp Hình Quy trình tổng hợp gốm áp điện PZT Công đoạn 1: Chuẩn bị vật liệu Vật liệu chuẩn bị sở công thức hệ gốm chọn, thành phần phối liệu ban đầu oxit, vật. .. hệ vật liệu gốm áp điện cứng pha tạp đẳng trị Sr tạp cứng Mn 117 Xây dựng quy trình cơng nghệ tổng hợp vật liệu áp điện với cơng đoạn có giải thích chế rõ ràng Từ quy trình cơng nghệ tổng hợp. .. Kết nghiên cứu làm chủ công nghệ tổng hợp vật liệu gốm áp điện PZT pha tạp Kết nghiên cứu sở cho hướng nghiên cứu như: sản xuất gốm áp điện với số lượng lớn, chế tạo biến tử siêu âm gốm áp điện