Các tính chất của vật liệu gốm áp điện nhìn chung chịu ảnh hưởng nhiều bởi các điều kiện công nghệ chế tạo nó. Vì vậy, để chế tạo gốm có chất lượng tốt, qui trình công nghệ chế tạo mẫu phải được tuân thủ một cách nghiêm ngặt. Có thể tóm tắt các bước chế tạo gốm bằng công nghệ truyền thống như sơ đồ hình 2.1.
27
Mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng công nghệ gốm truyền thống có công thức tổng quát như sau: (1-x)K0.5Na0.5NbO3_ xCa(Zn1/3Nb2/3)O3 (viết tắt KNN-xCZN), với x = 0.00, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10.
Trong quá trình nghiên cứu, để thuận tiện chúng tôi kí hiệu các mẫu như sau:
B0: mẫu K0.5Na0.5NbO3
B1: mẫu 0.98K0.5Na0.5NbO3_ 0.02Ca(Zn1/3Nb2/3)O3 B2: mẫu 0.96K0.5Na0.5NbO3_ 0.04Ca(Zn1/3Nb2/3)O3 B3: mẫu 0.94K0.5Na0.5NbO3_ 0.06Ca(Zn1/3Nb2/3)O3 B4: mẫu 0.92K0.5Na0.5NbO3_ 0.08Ca(Zn1/3Nb2/3)O3 B5: mẫu 0.90K0.5Na0.5NbO3_ 0.10Ca(Zn1/3Nb2/3)O3
Bước 1: Cân trộn phối liệu
Phối liệu ban đầu được tổng hợp từ hỗn hợp các oxit và muối cacbonat với độ tinh khiết 99% như K2CO3, Na2CO3, ZnO, CaCO3, Nb2O5 Các hóa chất được sấy khô ở nhiệt độ 1000
C trong 2 giờ. Công đoạn sấy là rất cần thiết, điều này có ý nghĩa quan trọng vì các muối dùng để chế tạo hệ gốm đều có tính hút ẩm mạnh nên có thể dẫn đến hợp thức của gốm không như mong muốn. Các phối liệu K2CO3, Na2CO3, ZnO, CaCO3, Nb2O5 được cân bằng cân điện tử hiện số AB – 204 với độ chính xác 10-4
g theo tỉ lệ thích hợp tương ứng với công thức hóa học của gốm. Bảng 2.1 là khối lượng của các oxit và các muối cacbonat tương ứng tính cho 15 g hỗn hợp
Bảng 2.1 Khối lƣợng của các oxit và các muối cacbonat trong 15 gam.
B0 x = 0.00 B1 x = 0.02 B2 x = 0.04 B3 x = 0.06 B4 x = 0.08 B5 x = 0.10 Na2CO3 2.3348 2.2882 2.2415 2.1949 2.1482 2.1015 K2CO3 3.0445 2.9837 2.9229 2.8620 2.8012 2.7403 Nb2O5 11.7111 11.6333 11.5553 11.4775 11.3995 11.3217 ZnO 0.0000 0.0478 0.0956 0.1434 0.1913 0.2391 CaCO3 0.0000 0.1764 0.3528 0.5292 0.7056 0.8820
28
Bước 2: Siêu âm và khuấy từ phối liệu
Để tạo ra sự đồng nhất của gốm, làm cho các hạt bột trộn vào nhau đồng đều, đồng thời giúp cho phản ứng pha rắn xảy ra hoàn toàn thông qua khuếch tán nguyên tử, trước khi nung ta cần phải siêu âm và khuấy từ phối liệu. Sau khi cân hỗn hợp xong ta tiến hành siêu âm 5 phút trong dung dịch ethanol bằng máy siêu âm công suất với tần số 26 kHz, sau đó đem khuấy từ bằng máy khuấy từ Velp Scientifica trong 2 giờ trong dung dịch ethanol.
Bước 3: Nghiền trộn lần 1
Sau khi siêu âm và khuấy từ để cho các hạt bột mịn hơn, hỗn hợp được đem đi sấy khô và nghiền trộn bằng cối trong 2h.
Bước 4: Ép nung sơ bộ lần 1
Sau khi được nghiền trộn trong 2 giờ, hỗn hợp được cho vào khuôn có dạng hình trụ với đường kính 20 mm và ép với áp lực 300 kG/cm2 bằng máy nén thủy lực. Sau đó cho mẫu đã p vào ch n nung được phủ oxit nhôm và đậy kín và tiến hành nung. Nung sơ bộ phối liệu còn gọi là quá trình canxi hóa, nhiệt độ nung phải thích hợp để phản ứng hóa học xảy ra tạo được hợp chất như mong muốn. Tiến hành nung theo chế độ sau:
Tốc độ lên nhiệt của lò là 5oC/phút. Nâng nhiệt độ lên 200oC, ủ ở nhiệt độ này trong 30 phút. Tiếp tục nâng nhiệt độ lên đến 850oC và ủ ở nhiệt độ này trong 2 giờ. Sau đó, hạ nhiệt độ lò nung đến 400o
C và tắt lò.
Bước 5: Nghiền trộn lần 2
Hỗn hợp sau khi nung được lấy ra, rửa sạch bột nhôm trong cồn, đập vỡ và tiến hành nghiền với thời gian 1 giờ. Mục đích của nghiền trộn lần này nhằm tạo ra sự đồng nhất hợp thức và giảm kích thước hạt, giúp các chất tham gia các phản ứng hoàn toàn và tạo pha hoàn toàn trong quá trình nung sơ bộ lần thứ 2.
29
Bước 6. Ép nung sơ bộ lần 2
Thực hiện tương tự như khi p nung sơ bộ lần 1, sau khi nghiền trộn lần 2, hỗn hợp được cho vào khuôn có dạng hình trụ với đường kính 20 mm và ép với áp lực 300 kG/cm2 bằng máy nén thủy lực.
Sau khi ép thành dạng hình bánh, cho mẫu vào ch n nung được phủ oxit nhôm và đậy kín cho vào lò nung với tốc độ gia nhiệt 5o
C/phút. Nâng nhiệt độ lên 200oC, ủ ở nhiệt độ này trong 30 phút. Tiếp tục nâng nhiệt độ lên đến 850o
C và ủ ở nhiệt độ này trong 2 giờ. Sau đó, hạ nhiệt độ lò nung xuống 400oC và tắt lò.
Bước 7: Nghiền trộn lần 3
Hỗn hợp sau khi nung được lấy ra, rửa sạch bột nhôm trong cồn, đập vỡ và tiến hành nghiền với thời gian 1 giờ. Sau đó đưa hỗn hợp vào máy nghiền bi trong môi trường ethanol trong thời gian 2 giờ. Mục đích của nghiền trộn lần này nhằm tạo ra sự phân bố đồng đều các thành phần dung dịch rắn trong toàn bộ thể tích nhằm tạo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn mà nung sơ bộ chưa được phản ứng. Độ mịn và độ đồng đều của các hạt có ảnh hưởng đến chất lượng độ đồng nhất cao của gốm sau khi thiêu kết. Khi hết thời gian nghiền bi ta lấy dung dịch sấy thật khô, tách các bi ra khỏi bột.
Bước 8: Ép nung thiêu kết
Hợp thức sau khi nghiền trộn lần 3 được p dưới dạng bản đĩa có đường kính 10 mm bằng máy nén thuỷ lực với áp lực 2 tấn/cm2
. Cho các mẫu đã p vào ch n nung bằng sứ, phủ đầy oxit nhôm và một lớp bột phủ KNN ở mặt dưới và mặt trên bề mặt gốm, sau đó đậy kín và cho vào lò Lenton nung theo quy trình sau:
Tốc độ lên nhiệt của lò là 5oC/phút.
Nâng nhiệt độ lên 200oC, ủ ở nhiệt độ này trong 30 phút. Nâng nhiệt độ lên đến 850o
30 đến 1130o
C, ủ trong 2 giờ rồi hạ nhiệt độ. Tốc độ hạ nhiệt là 5oC/phút, khi nhiệt độ hạ xuống 500oC hoặc thấp hơn thì tắt lò.
Bước 9: Gia công mẫu
Tiến hành mài mẫu bằng giấy nhám mịn P400 để khử các vết nứt, khuyết trên bề mặt mẫu tạo cho mẫu có bề mặt song phẳng và có độ dày mẫu khoảng 1 mm và 0.5 mm, tiếp theo đánh bóng mẫu trên giấy mịn P800 và tiếp tục đánh bóng mẫu bằng giấy mịn P1000. Sau đó rửa mẫu qua cồn và máy rửa siêu âm, rồi sấy khô.
Bước 10: Phủ điện cực
Yêu cầu của điện cực gốm áp điện, ngoài việc có độ dẫn tốt, còn phải có độ bám dính và không bị phá huỷ khi phân cực ở nhiệt độ và điện trường cao. Quá trình phủ điện cực được tiến hành như sau:
Đặt mẫu đã gia công bề mặt lên bếp hoặc sử dụng máy khò để ở nhiệt độ 400o
C rồi quét một lớp nhũ chứa oxit bạc lần lượt lên hai bề mặt mẫu trong thời gian 20 phút. Ở nhiệt độ 400oC oxit bạc trong lớp nhũ sẽ được phân huỷ thành kim loại Ag bám chắc vào mẫu.
Bước 11: Đo đạc, khảo sát
Các mẫu có bề dày 0.5 mm không phủ điện cực được sử dụng đo tính chất quang (phổ truyền qua), các mẫu có phủ điện cực được sử dụng đo các tính chất điện (đo điện dung, tổn hao điện môi, tính chất sắt điện).