Cỏc tớnh chất của vật liệu gốm ỏp điện nhỡn chung chịu ảnh hưởng nhiều bởi tất cả cỏc điều kiện cụng nghệ chế tạo nú. Vỡ vậy, để chế tạo được gốm cú chất lượng tốt, cỏc cụng đoạn của quy trỡnh cụng nghệ phải được tuõn thủ một cỏch nghiờm ngặt. Cỏc bước chế tạo gốm bằng cụng nghệ truyền thống cú thể được túm tắt như ở sơ đồ hỡnh 2.1.
Hỡnh 2.1. Sơ đồ quy trỡnh cụng nghệ chế tạo vật liệu gốm truyền thống
Cõn trộn phối liệu Siờu õm và khuấy từ Nghiền trộn lần 1 ẫp nung sơ bộ lần 1 Nghiền trộn lần 2 ẫp nung sơ bộ lần 2 Nghiền trộn lần 3 ẫp nung thiờu kết Gia cụng mẫu Phủ điện cực Phõn cực, khảo sỏt
27
Mẫu nghiờn cứu được chế tạo bằng cụng nghệ gốm truyền thống cú cụng thức tổng quỏt như sau: 0,96(K0,48Na0,48Li0,04)(Nb0,95Sb0,05)O3 – 0,04Bi0,5(Na0,82K0,18)0,5ZrO3 (viết tắt KNLSN-0.04BNKZ)
Trong quỏ trỡnh nghiờn cứu, để thuận tiện chỳng tụi kớ hiệu cỏc mẫu ứng với nhiệt độ thiờu kết khỏc nhau như sau:
C1: mẫu KNLSN-0,04BNKZ thiờu kết ở nhiệt độ 1090 °C C2: mẫu KNLSN-0,04BNKZ thiờu kết ở nhiệt độ 1100 °C C3: mẫu KNLSN-0,04BNKZ thiờu kết ở nhiệt độ 1110 °C C4: mẫu KNLSN-0,04BNKZ thiờu kết ở nhiệt độ 1120 °C
C5: mẫu KNLSN-0,04BNKZ thiờu kết ở nhiệt độ 1130 °C
Bước 1: Cõn trộn phối liệu
Phối liệu ban đầu được tổng hợp từ hỗn hợp cỏc oxit và muối cacbonat với độ tinh khiết 99% như Na2CO3, K2CO3, Nb2O5, Bi2O3, Sb2O3, ZrO2, Li2CO3. Đầu tiờn cỏc húa chất được sấy khụ ở 150 °C trong 2 giờ, cụng đoạn này là cần thiết và quan trọng vỡ cỏc muối dựng để chế tạo gốm đều cú tớnh hỳt ẩm mạnh nếu khụng sấy thỡ khi cõn bột cú thể dẫn đến hợp thức của gốm khụng như chỳng ta mong muốn.
Cỏc phối liệu ban đầu được cõn bằng cõn điện tử hiện số AB – 204 với độ chớnh xỏc 10-4
g theo tỉ lệ thớch hợp. Trong quỏ trỡnh cõn, phải cõn nhanh hai loại muối cacbonat trước để trỏnh bị hỳt ẩm. Bảng 2.1 là khối lượng của cỏc oxit và cỏc muối cacbonat tương ứng tớnh cho 15 g hỗn hợp.
Bảng 2.1. Khối lƣợng của cỏc oxit và cỏc muối cacbonat trong 15 gam
Bi2O3 (g) K2CO3 (g) Na2CO3 (g) Li2CO3 (g) Nb2O5 (g) Sb2O3 (g) ZrO2 (g) 0.4248 2.7658 2.7658 0.1223 10.4468 0.6030 0.4248
28
Bước 2: Siờu õm và khuấy từ phối liệu
Để tạo sự đồng nhất của vật liệu, làm cho cỏc hạt bột trộn đều vào nhau, đồng thời làm cho phản ứng pha rắn xảy ra hoàn toàn thụng qua khuếch tỏn nguyờn tử, trong quỏ trỡnh nung cần phải siờu õm và khuấy từ phối liệu.
Sau khi cõn hỗn hợp xong tiến hành siờu õm 5 phỳt trong dung dịch ethanol bằng mỏy siờu õm, sau đú khuấy từ 2 giờ bằng mỏy khuấy từ Velp Scientifica trong dung dịch ethanol.
Bước 3: Nghiền trộn lần 1
Sau khi siờu õm và khuấy từ giỳp cỏc hạt bột được mịn hơn, hỗn hợp được nghiền trộn trong mụi trường ethanol bằng mỏy nghiền bi trong 2 giờ.
Bước 4: ẫp nung sơ bộ lần 1
Bước tiếp theo, hỗn hợp được cho vào khuụn cú dạng hỡnh trụ với đường kớnh 25 mm và ộp với ỏp lực 300 kG/cm2 bằng mỏy nộn thủy lực.
Sau đú cho mẫu đó p vào ch n nung được phủ oxit nhụm, đậy kớn và tiến hành nung. Nung sơ bộ phối liệu hay cũn gọi là quỏ trỡnh canxi húa, nhiệt độ nung phải phự hợp để phản ứng húa học xảy ra tạo được hợp chất như mong muốn. Chế độ nung sơ bộ như sau: tốc độ gia nhiệt là 5 °C/phỳt, nõng nhiệt độ lờn 200 °C, ủ ở nhiệt độ này trong 30 phỳt. Sau đú tăng nhiệt độ lờn 850 °C và ủ ở nhiệt độ này trong 2 giờ. Cuối cựng, hạ nhiệt độ lũ nung xuống 300 °C thỡ tắt lũ.
Bước 5: Nghiền trộn lần 2
Lấy hỗn hợp sau khi nung ra, rửa sạch bột nhụm bằng cồn tuyệt đối CH3CH2OH, đập vỡ và tiến hành nghiền bi trong 1 giờ. Mục đớch tạo ra sự đồng nhất hợp thức và giảm kớch thước hạt, giỳp cỏc chất tham gia phản ứng và tạo pha hoàn toàn trong quỏ trỡnh nung sơ bộ lần thứ 2.
Bước 6: ẫp nung sơ bộ lần 2
29
hỗn hợp được cho vào khuụn cú dạng hỡnh trụ với đường kớnh 25mm và ộp với ỏp lực 300 kG/cm2 bằng mỏy nộn thủy lực.
Sau đú cho mẫu vào ch n nung được phủ oxit nhụm, đậy kớn và nung với tốc độ gia nhiệt 5 °C/phỳt. Nõng nhiệt độ lờn 200 °C, ủ ở nhiệt độ này trong 30 phỳt. Sau đú tăng nhiệt độ lờn 850 C và ủ trong 2 giờ. Cuối cựng, hạ nhiệt độ xuống 400 °C, tắt lũ.
Bước 7: Nghiền trộn lần 3
Hỗn hợp sau khi nung được rửa sạch trong cồn tuyệt đối (CH3CH2OH), sấy khụ, đập vỡ và tiến hành nghiền mịn. Tiếp tục nghiền hỗn hợp trong 2 giờ bằng mỏy nghiền bi. Độ mịn và độ đồng đều của cỏc hạt cú ảnh hưởng đến chất lượng độ đồng nhất của gốm sau khi thiờu kết.
Bước 8: ẫp nung thiờu kết
Sau khi nghiền trộn lần 3, hợp chất được p dưới dạng bản đĩa cú đường kớnh 12 mm bằng mỏy nộn thuỷ lực với ỏp lực 2 tấn/cm2. Cho cỏc mẫu đó p vào chộn nung bằng sứ, phủ đầy oxit nhụm và một lớp bột phủ KNN, sau đú đậy kớn và cho vào lũ Lenton nung theo quy trỡnh sau: tốc độ gia nhiệt là 5 °C/phỳt, tăng nhiệt độ lờn 200 °C, ủ ở nhiệt độ này trong 30 phỳt. Tiếp tục tăng nhiệt độ lờn đến 850 °C, ủ ở nhiệt độ này trong 30 phỳt, sau đú tăng nhiệt độ đến nhiệt độ thiờu kết của mẫu. Mẫu được thiờu kết ở cỏc nhiệt độ 1090 °C, 1100 °C, 1110 °C, 1120 °C, 1130 °C, ủ trong 2 giờ rồi hạ nhiệt độ xuống 400 °C, tắt lũ.
Bước 9: Gia cụng mẫu
Tiến hành mài mẫu bằng giấy nhỏm mịn P400 để loại bỏ cỏc vết nứt, khuyết trờn bề mặt tạo bề mặt song phẳng và cú độ dày khoảng 1 mm. Sau đú, đỏnh búng mẫu trờn giấy mịn P600 và tiếp tục đỏnh búng mẫu bằng giấy nhỏm mịn P1000 hoặc P2000. Cuối cựng rửa mẫu qua cồn và mỏy rửa siờu õm, rồi sấy khụ.
30
Bước 10: Phủ điện cực
Điện cực của gốm ỏp điện ngoài việc cú độ dẫn tốt, cũn phải cú độ bỏm dớnh và khụng bị phỏ huỷ khi phõn cực ở nhiệt độ và điện trường cao. Khi phủ điện cực ta thực hiện như sau: đặt mẫu đó gia cụng bề mặt lờn bếp điện đặt ở nhiệt độ 400 °C, quột một lớp nhũ chứa oxit bạc lần lượt lờn hai bề mặt mẫu và giữ ở thời gian 30 phỳt, oxit bạc trong lớp nhũ sẽ phõn huỷ thành kim loại Ag bỏm chắc vào mẫu.
Bước 11: Phõn cực, khảo sỏt
Quỏ trỡnh phõn cực mẫu thực hiện như sau: đặt mẫu vào bộ gỏ và cho vào dầu cao ỏp và nung đến nhiệt độ khoảng 100 °C. Bắt đầu ỏp đặt điện ỏp tương ứng với điện trường cỡ 30 kV/cm đến 40 kV/cm vào mẫu. Duy trỡ trạng thỏi trờn trong 20 phỳt thỡ ngắt điện trường để kết thỳc phõn cực.