Đo độ nhỏm của TBC YSZ:Eu3+ - NỘI DUNG

B. NỘI DUNG

2.1.2. Đo độ nhỏm của TBC YSZ:Eu3+

Độ nhỏm (roughness) của tất cả cỏc mõ̃u TBC YSZ:Eu3+

được xỏc định bằng profilometer quang học. Tia laser được sử dụng cú đường kính là 350àm, tần số 300Hz. Để độ chính xỏc của kết quả được đảm bảo, đối với mỗi mõ̃u đờ̀u được quột tia laser ba lần dọc chiờ̀u dài của mõ̃u diện tích được khảo sỏt là 5x5mm2

2.2. Các phộp đo quang

2.2.1. Phổ quang phỏt quang

Phổ quang phỏt quang của mõ̃u đờ̀u được đo dưới kích thích của đốn hơi thủy ngõn 365nm (Philips TL 6W BLB mercury vapour lamp) tại nhiệt độ phũng. Tín hiệu quang được ghi lại trong dải bước súng từ 400-700nm bằng một phổ kế USB 2000 (Ocean Optics) được gắn với một sợi cỏp quang cú bỏn kính 1.000àm được sử dụng như đầu thu. Toàn bộ tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành tín hiệu số và đọc trờn màn hỡnh của mỏy vi tính [16].

2.2.2. Phổ phản xạ

 Phản xạ theo hướng

Để đo phổ phản xạ theo hướng của vật liệu YSZ:Eu3+

tại nhiệt độ phũng trong khoảng bước súng từ 0,4-1,97àm. Chỳng tụi đó sử dụng một phổ kế Fourier transform infrared (FTIR). Cỏc mõ̃u được chiếu sỏng bởi một tia chuẩn trực với gúc tới 450. Phổ phản xạ được ghi lại trong vựng bước súng từ 0,9-1,97àm.

 Phản xạ toàn bụ̣

Phổ phản xạ toàn bộ của cỏc mõ̃u cũng được đo bằng hệ phổ kế Perkin Elmer UV / VIS / NIR sử dụng BaSO4 phủ trờn một lớp cầu tích phõn. Phộp đo được thực hiện trong khoảng bước súng từ 200nm đến 1500nm [16].

2.3. Hiợ̀u suất lượng tử

Để tính toỏn hiệu suất lượng tử, chỳng tụi làm theo cỏc bước dưới đõy:

Bước 2: Đo phổ phản xạ và phổ phỏt quang

Bước 3: Xử lý số liệu giữa phổ kích thích, phổ phỏt xạ và phổ hấp thụ để tỡm

ra hiệu suất lượng tử của photon phỏt xạ và photon hấp thụ.

- Hiệu suất lượng tử bằng số photon phỏt xạ / số photon hấp thụ - Ánh sỏng kích thích được sử dụng ở bước súng cố định: 535 nm

- Hiệu quả lượng tử gần như khụng phụ thuộc vào nụ̀ng độ của vật liệu. Tính toỏn hiệu suất lượng tử dựa vào ba bước như trờn. Tuy nhiờn, trong qỳa trỡnh tính toỏn sai số là rất lớn và phộp tính chưa chính xỏc nờn chỳng tụi sử dụng hiệu suất lượng tử chung cho cỏc chất lõn quang là: q ~ 0.55 cho quỏ trỡnh mụ phỏng [17].

2.4. Mụ phỏng Matlab

- Dựa trờn cỏc kết quả thu được từ lý thuyết và thực nghiệm, chỳng tụi tiến hành lập trỡnh trờn Matlab.

- Chương trỡnh Matlab được lập trỡnh gụ̀m 3 bước: + Xỏc định hệ số S, K từ thực nghiệm.

+ Xỏc định Rg từ R(λ).

+ Mụ phỏng I(x), J(x), I’(x), J’(x) theo phương trỡnh K-M.

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả phõn tích cấu trỳc TBC YSZ:Eu3+

3.1.1. Độ nhỏm của mõ̃u

Hỡnh 3.1: Ảnh độ nhỏm của mõ̃u TBC YSZ:Eu3+ được chế tạo bằng phương phỏp sol - gel

Trờn hỡnh 3.1 là hỡnh ảnh độ nhỏm của mõ̃u TBC YSZ:Eu3+ được quột 5 lớp và 10 lớp. Nhỡn vào ảnh chỳng ta cú thể thấy đối với mõ̃u TBC YSZ:Eu3+ được quột 5 lớp cú độ dày đụ̀ng đờ̀u hơn mõ̃u TBC YSZ:Eu3+ được quột 10 lớp. Mặt khỏc, quan sỏt hỡnh ảnh độ nhỏm của mõ̃u TBC YSZ:Eu3+

10 lớp cho thấy ở phần rỡa của mõ̃u (vũng trũn màu xanh) độ dày lờn tới 90- 100àm (so với độ dày trung bỡnh khoảng 30-40àm), đõy là kết quả của quỏ trỡnh chế tạo mõ̃u bằng phương phỏp sol-gel dip-coating. Đối với mõ̃u cú độ dày càng lớn hay được quột càng nhiờ̀u lớp thỡ độ nhỏm của mõ̃u lại càng tăng. Điờ̀u này ảnh hưởng tới cỏc tính chất quang của mõ̃u khi ỏnh sỏng tương tỏc trờn những bờ̀ mặt mõ̃u cú độ dày khỏc nhau do đú khiến kết quả mụ phỏng mất đi tính chính xỏc.

3.1.2. Phõn tích nhiễu xạ tia X

Phổ nhiễu xạ tia X của cỏc mõ̃u YSZ và YSZ:Eu3+

ở cỏc nụ̀ng độ khỏc nhau được thể hiện trờn hỡnh 3.2. Hỡnh ảnh phổ nhiễu xạ cho thấy cỏc đỉnh nhiễu xạ gần như trựng khít nhau ở tất cả cỏc nụ̀ng độ của Eu trừ đỉnh nằm giữa 2θ ~730 – 75o. Đối với ảnh nhiễu xạ của YSZ khụng pha tạp (màu đen) cấu trỳc là hoàn toàn Hexagonal. Trong khi đú đối với cỏc mõ̃u cú nụ̀ng độ Eu tăng dần thỡ xảy ra hiện tượng đỉnh ở giữa 2θ ~730 – 75o

thu hẹp và hỡnh thành một đỉnh hẹp sắc nột đặc trưng cho cấu trỳc lập phương.

Hỡnh 3.2: Ảnh nhiễu xạ tia X của mõ̃u YSZ và YSZ pha

tạp Eu cỏc nụ̀ng độ khỏc nhau. Cườ ng đụ̣ 2θ0 Cườ ng đụ̣ 2θ0

Hỡnh 3.3: Sự biến đổi của đỉnh nhiễu xạ tại 2θ ~ 73o

– 75o của mõ̃u YSZ và YSZ pha tạp Eu cỏc nụ̀ng độ khỏc nhau.

Phúng to cỏc đỉnh nằm trong khoảng 2θ ~ 73o

– 75o ta thu được kết quả của sự biến đổi đỉnh nhiễu xạ theo nụ̀ng độ ở hỡnh 3.3. Dựa trờn kết quả này ta cú thể thấy rừ sự biến đổi đỉnh bắt đầu chuyển pha từ Hexagonal sang Cubic tại nụ̀ng độ Eu 3at% và chuyển hẳn sang Cubic tại nụ̀ng độ Eu 10at%. Để kiểm soỏt pha của YSZ:Eu3+

chỳng ta cần khống chế nụ̀ng độ của Eu.

3.2. Tính Chất quang của mõ̃u

3.2.1. Phổ quang phỏt quang

So sỏnh phổ quang phỏt quang của mõ̃u TBC YSZ:Eu3+ 4at% ở nhiệt độ 11000C (nhiệt độ làm việc của Tua bin) và nhiệt độ phũng ta thấy sự phụ thuộc của cường độ phỏt quang vào nhiệt độ. Dựa vào sự phụ thuộc này mà ta cú thể biểu diễn cường độ phỏt quang của Eu như một hàm của nhiệt độ, từ đú xỏc định được nhiệt độ trong lũng TBC. Điờ̀u này hoàn toàn phự hợp với mụ hỡnh TBC tích hợp được mụ tả trước đú.

* * Cườ ng đụ̣ ( au) Bước sóng (nm)

Hỡnh 3.4: Phổ quang phỏt quang của TBC YSZ:Eu3+ 4at% ở nhiệt độ thường và nhiệt độ làm việc của Tuabin

Kết quả đo phổ phỏt quang của TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày khỏc nhau thể hiện trờn hỡnh 3.5. Quan sỏt phổ cú dạng đặc trưng của ion Eu3+ với cỏc đỉnh phỏt quang tại 592nm và 607nm. Cường độ phỏt quang tại hai đỉnh này thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ mà gần như khụng phụ thuộc vào nụ̀ng độ của mõ̃u. Do đú trong quỏ trỡnh mụ phỏng chỳng ta cú thể khụng tớnh tới sự ảnh hưởng của nụ̀ng độ của mõ̃u đối với tỉ lệ phỏt quang ở hai đỉnh 592nm và 607nm.

3.2.2. Cỏc hợ̀ sụ́ quang học của TBC YSZ

Hỡnh 3.5: Phổ quang phỏt quang của TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày khỏc nhau 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 C -ờ ng đ ộ (A U) B-ớc sóng (nm) 5 lớpYSZ:Eu 10 lớp YSZ:Eu * * 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 H ệ s ố ph ản x ạ R Góc (độ) YSZ:Eu

Hỡnh 3.6: Phổ phản xạ theo gúc của TBC YSZ:Eu3+

YSZ:Eu3+ 5 lớp YSZ:Eu3+

Để xỏc định cỏc hệ số quang học của YSZ:Eu3+, chỳng tụi đó tiến hành khảo sỏt phổ phản xạ theo hướng và phổ phản xạ toàn bộ của mõ̃u YSZ:Eu3+.

Phổ phản xạ theo hướng được thể hiện ở hỡnh 3.6. Dựa vào kết quả này hệ số phản xạ của YSZ:Eu3+

hầu như khụng thay đổi đỏng kể với gúc quột từ 100 đến 900. Như đó đờ̀ cập ở phần lý thuyết, kết quả này cú lợi cho mụ phỏng khi giả thuyết sự phản xạ là như nhau theo mọi phương được thỏa món.

Hỡnh 3.7 thể hiện kết quả phổ phản xạ toàn bộ (mặt cầu) của gúc tới 450 trờn vật liệu TBC. Cỏc phổ phản xạ toàn bộ trong vựng khả kiến của mõ̃u YSZ:Eu3+ 4at% so với mõ̃u YSZ tinh khiết khụng cú sự khỏc biệt đỏng kể trong cỏc phản xạ. Vỡ thế chỳng ta cú thể cho rằng trong vựng khả kiến hệ số phản xạ giữa cỏc lớp YSZ cú pha tạp và khụng pha tạp là gần bằng nhau. Cỏc kết quả này cú thể sử dụng trong gần đỳng của phộp mụ phỏng.

Kết luận: Từ kết quả của phổ phản xạ theo hướng và phổ phản xạ toàn

phần, chỳng ta giả định cho việc sử dụng mụ hỡnh K-M trong mụ hỡnh húa sự truyờ̀n ỏnh sỏng mõ̃u pha tạp từ mõ̃u khụng pha tạp.

200 400 600 800 1000 1200 1400 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 H ệ số p hả n xạ R B-ớc sóng (nm) R g YSZ YSZ:eu 4at%

Hỡnh 3.7: Phổ phản xạ toàn bộ của TBC YSZ:Eu3+

Hỡnh 3.8: Cỏc hệ số quang học của TBC YSZ được xỏc định từ

thực nghiệm

Dựa vào đụ̀ thị trờn ta cú thể xỏc định được cỏc giỏ trị S và K của bức xạ kích thích và bức xạ lõn quang được xỏc định từ thực nghiệm tại cỏc bước súng 532nm và 620nm. Từ cỏc giỏ trị thu được ta thay vào cụng thức K-M để chạy chương trỡnh Matlab.

3.3. Các kết quả mụ phỏng

Qua mụ phỏng Matlab ta thu được một số đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua TBC YSZ:Eu3+

4at% cú độ dày khỏc nhau.

Hỡnh 3.9: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua

TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 117àm

Hỡnh 3.10: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua

TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 970àm

Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Bề dày mõ̃u (àm)

I (ỏnh sỏng kích thích đi vào) J (ỏnh sỏng kích thích đi ra) Iem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi vào) Jem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi ra)

Bề dày mõ̃u (àm)

I (ỏnh sỏng kích thích đi vào) J (ỏnh sỏng kích thích đi ra) Iem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi vào) Jem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi ra)

Hỡnh 3.11: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua

TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 600àm

Hỡnh 3.12: Đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi

qua TBC YSZ:Eu3+ 4at% cú độ dày 1070àm

Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Cườ n g đ ụ̣ (a.u) Bề dày mõ̃u (àm) Bề dày mõ̃u (àm)

I (ỏnh sỏng kích thích đi vào) J (ỏnh sỏng kích thích đi ra) Iem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi vào) Jem (ỏnh sỏng phỏt xạ đi ra)

Hỡnh 3.9 thể hiện đụ̀ thị kết quả vờ̀ cường độ ỏnh sỏng kích thích và phỏt xạ đi qua TBC YSZ:Eu3+

4at% cú độ dày 117àm. Ánh sỏng laser với bước súng 532 nm được sử dụng để kích thích YSZ:Eu3+

4at% trong mụ hỡnh. Cỏc hệ số phản xạ đó được lựa chọn cho mụ hỡnh là ở 620 nm (đỉnh phỏt quang của Eu). Cường độ ỏnh sỏng tới kích thích đó được tính toỏn dựa trờn cỏc thụng số ỏnh sỏng laser với cụng thức: I - P / S (với P: cụng suất của laser và S là vựng phỏt sỏng laser). Hệ số tỏn xạ của nú ở 532 nm là 105

lớn hơn nhiờ̀u so với hệ số hấp thụ là 102,8, đõylà yếu tố chính ảnh hưởng đến sự thay đổi cường độ ỏnh sỏng qua bờ̀ dày TBC. Nhỡn vào hỡnh mụ phỏng, ở độ dày 40àm tín hiệu lõn quang được tạo ra và bắt đầu tăng dần theo độ dày. Ở độ dày 70àm trong TBC, tín hiệu trở nờn yếu hơn sau đú tắt hẳn. Cỏc ỏnh sỏng kích thích đi vào và đi ra trờn đụ̀ thị đờ̀u giảm dần theo độ dày.

Trong mụ hỡnh này, sự lan truyờ̀n của ỏnh sỏng đó được thực hiện bằng cỏch sử dụng mụ hỡnh K-M với cỏc thụng số thử nghiệm và tham khảo. Ưu điểm của mụ hỡnh K-M là đơn giản bằng cỏch sử dụng cỏc thụng số thử nghiệm. Tuy nhiờn, do sử dụng rất nhiờ̀u giả định dõ̃n đến độ chính xỏc ít hơn so với cỏc phương phỏp khỏc. Đặc biệt trong vựng UV, nơi mà lõn quang hấp thụ mạnh, phương phỏp này cú thể khụng được sử dụng để dự đoỏn sự truyờ̀n ỏnh sỏng. K-M khụng dự đoỏn sự phụ thuộc lõ̃n nhau của S và K. Do đú, ứng dụng của lý thuyết K-M phải được sử dụng một cỏch cẩn thận.

C. KẾT LUẬN

Sau một thời gian thực hiện thỡ đờ̀ tài đó thu được một số kết quả sau: 1. Vật liệu TBC YSZ:Eu3+ được khảo sỏt cấu trỳc bằng nhiễu xạ tia X theo nụ̀ng độ. Kết quả khảo sỏt cho thấy mõ̃u YSZ nụ̀ng độ 3at% bắt đầu cú sự thay đổi từ Hexagonal sang Cubic. Ngoài ra kết quả đo độ nhỏm của mõ̃u cũng khẳng định sự phức tạp trong tính toỏn cỏc hệ số quang khi mõ̃u cú bờ̀ dày càng lớn. Điờ̀u này ảnh hưởng đến tính gần đỳng của phương phỏp mụ phỏng.

2. Kết quả khảo sỏt tính chất quang của cỏc mõ̃u YSZ:Eu3+ tại cỏc nhiệt độ và độ dày khỏc nhau cho thấy sự phỏt quang đặc trưng của Eu3+

tại hai đỉnh 592nm và 607nm cú tỉ lệ cường độ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà khụng phụ thuộc vào nụ̀ng độ. Do đú chỳng ta cú thể sử dụng tỉ lệ cường độ của hai đỉnh này như một hàm của nhiệt độ trong cảm biến TBC.

3. Từ phổ phản xạ theo hướng của mõ̃u YSZ:Eu3+ 4at% chỳng ta cú thể xem rằng mõ̃u phản xạ theo cỏc phương là như nhau. Mặt khỏc, kết quả phổ phản xạ toàn bộ thỡ hệ số phản xạ giữa cỏc lớp YSZ cú pha tạp và khụng pha tạp là gần bằng nhau. Cỏc kết quả này cú thể sử dụng trong gần đỳng của phộp mụ phỏng.

4. Cỏc giỏ trị S và K của bức xạ kích thích và bức xạ lõn quang được xỏc định từ thực nghiệm tại cỏc bước súng 532nm và 620nm.

5. Sự truyờ̀n ỏnh sỏng qua lớp TBC đó được thực hiện bằng cỏch sử dụng mụ hỡnh K-M với cỏc thụng số thực nghiệm và tham khảo bằng chương trỡnh Matlab. Tuy nhiờn, do sử dụng rất nhiờ̀u giả định dõ̃n đến độ chính xỏc kộm. Trong vựng UV, ỏnh sỏng bị hấp thụ mạnh, mụ hỡnh K-M khụng thể được sử dụng để dự đoỏn quỏ trỡnh truyờ̀n ỏnh sỏng. Bờn cạnh đú thuyết K-M khụng dự đoỏn được nếu S và K là độc lập lõ̃n nhau.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. R. A. Miller (1987), 'Current status of thermal barrier coatings - An overview', Surface and coatings technology, Vol. 30, pp. 1-11.

2. A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson, G. H. Meier and F. S. Pettit (2001), 'Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings', Progress in materials science , Vol. 46, pp. 505-533.

3. V. K. Tolpygo, D. R. Clarke and K. S. Murphy (2001), 'Oxidation- induced failure of EB-PVD thermal barrier coatings', Surface and coatings technology, Vol. 146-147, pp. 124-131.

4. A. G. Evans, D. R. Mumm, J. W. Hutchinson, G. H. Meier and F. S. Pettit (2001), 'Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings', Progress in materials science , Vol. 46, pp. 505-533.

5. M. Gentleman, Vanni Lughi, John A. Nychka, and David R. Clarkew (2006), ‘Noncontact Methods for Measuring Thermal Barrier’, Coating Temperatures Molly. Int. J. Appl. Ceram. Technol., 3 [2] 105–112

6. Džimbeg-Malčić, Vesna; Barbarić-Mikočević, Željka; Itrić, Katarina (2011), ‘Kubelka – Munk theory in describing optical properties of paper’, Technical Gazette;, Vol. 18 Issue 1, p117.

7. C C Pilgrim et al. (2012) ‘Accuracy of Kubelka-Munk reflectance theory for dental resin composite material’, Meas. Sci. Technol, 729-35.

8. C C Pilgrim, J P Feist and A L Heyes,’ On the effect of temperature gradients and coating translucence on the accuracy of phosphor thermometry’, 2013 Meas. Sci. Technol. 24 105201.

9. Jeffrey I. Eldridge, Charles M. Spuckler and James R. Markham (2009), ‘Determination of Scattering and Absorption Coefficients for Plasma- Sprayed Yttria-Stabilized Zirconia Thermal Barrier Coatings at Elevated Temperatures’, Journal of the American Ceramic Society, Volume 92, Issue 10, pages 2276–2285.

10. D.R. Clarke, M.M. Gentleman (2007),’Luminescence sensing of temperatures in thermal barrier coatings’, Surface and Coatings Technology, 202(s 4–7):681–687.

11. Li Wanga, Jeffrey I. Eldridgeb, S.M. Guo (2014),’Comparison of different models for thedetermination of the absorption and scattering coefficients of thermal barrier coatings’, Acta Materialia, Volume 64, P. 402– 410.

12. Resmy STEENBAKKER (2007), ‘ Phosphor thermometry in an EB PVD TBC’, Thesis.

13. Clarke, David R.; Oechsner, Matthias; Padture, Nitin P (2012), ‘Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines’, Bulletin, Vol. 37 Issue 10, p891.

14. C. G. Levi (2004), 'Emerging materials and processes for thermal barrier systems', Current opinion in solid state and materials science, Vol. 8, No. 1, pp.77-91.

15. Trần Thị Hoài Giang (2009), Ảnh hưởng cỏc tõm bõ̃y đến hiện tượng phỏt quang của vật liệu aluminate kiờ̀m thổ, Luận văn Thạc sĩ khoa học.