CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN PZT-PMnN
3.2.3.Ảnh SEM của vật liệu gốm trong quá trình chế tạo
Mọi biến đổi về cấu trúc, vi cấu trúc và sự thay đổi tính chất vật lý của vật liệu liên quan mật thiết với nhaụ Độ phẩm chất cơ Qm của vật liệu gốm PZT – PMnN phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hạt và biên hạt cũng như độ thiêu kết vật liệu [91],[107]. Phân tích vi cấu trúc của gốm đã thiêu kết bằng ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) là phương pháp hữu hiệu để kiểm tra đánh giá các thơng tin nàỵ Song song với phân tích XRD, các bán thành phẩm và sản phẩm thu được trong quá trình chế tạo vật liệu cũng được chụp SEM để hỗ trợ cho việc xử lý các quá trình nghiền và nung khi chế tạo mẫụ
Ảnh SEM (HITACHI S4800, Viện Khoa học Vật liệu) của các mẫu cùng thành phần PZT-6%PMnN (mẫu M6), hình 3.15, cho ta thấy vật liệu đã tổng hợp sau khi nghiền trong 15 giờ, bột là những hạt tương đối đều nhau với kích thước hạt khoảng 1µm (hình 3.15a). Kích thước hạt bột gốm càng bé thì mẫu ép trước khi thiêu kết có độ xếp khít càng cao, khi thiêu kết thì các hạt sẽ “hịa lẫn” vào nhau tạo nên những hạt gốm lớn. Kích thước hạt bột gốm lớn thì giữa các hạt gốm thành phẩm sẽ có nhiều chỗ hở, làm cho chất lượng cơ của gốm bị giảm đi và tất nhiên đặc tính áp điện của vật liệu cũng sẽ giảm theo nhanh chóng. Như vậy, kích thước hạt bột gốm
và lực ép trước khi được thiêu kết có ảnh hưởng quan trọng đến khối lượng riêng cũng như chất lượng vật liệụ Lực ép mẫu phải đủ lớn để khối lượng riêng của mẫu trước khi thiêu kết đạt được trên 65% khối lượng riêng lý thuyết [46].
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.15. Ảnh SEM của mẫu M6:
(a) bột sau khi tổng hợp 850oC/2h và nghiền trong 15 giờ.
Gốm đã thiêu kết 1150oC/2h: (b) tại vết gãy (c), tại bề mặt mẫu (d) tại rìa vết màị
Trong vật liệu đã thiêu kết, gốm được cấu tạo từ các hạt gắn kết với nhau tại biên hạt, kích thước hạt vào khoảng > 2,5µm. Ở trong lõi mẫu gốm (hình 3.15b), có hiện tượng chảy nhịe biên hạt. Trong gốm PZT, chất chảy để tạo nên “dung dịch rắn” là PbO, lại là một chất bay hơi mạnh ở nhiệt độ thiêu kết mẫụ Khi thiêu kết, PbO chảy ra đồng thời bị bay hơị Do PbO bay hơi ở bên ngoài mẫu mạnh hơn bên trong, xuất hiện dòng khuếch tán của PbO từ trong ra ngoài dẫn đến sự phân bố không đồng đều của vật chất trong mẫụ Bên trong mẫu, PbO cịn có tác dụng hịa tan, gắn các hạt nhỏ với nhau thành hạt lớn hơn, trong khi bên ngoài mẫu thường thiếu PbO nên hạt bên ngoài mẫu nhỏ hơn hạt bên trong (hình 3.15c). Hầu hết các
5 µm 2 µm
5 µm 5 µm
tài liệu đã cơng bố về nghiên cứu vi cấu trúc của loại vật liệu này cũng đều cho thấy điều tương tự.
(a) (b) (c)
(d) (e)
Hình 3.16. Ảnh SEM tại vết gãy của một số mẫu PZT – PMnN:
(a) M4; (b) M6; (c) M7; (d) M8; (e) M10.
Tổng khối lượng nguyên tử của 1/3Mn + 2/3Nb (80,25) không lớn hơn tổng khối lượng nguyên tử của Zr + Ti (139,1), nên hàm lượng PMnN tăng sẽ không làm cho khối lượng riêng của vật liệu tăng. Ảnh SEM của các mẫu M4, M6, M7, M8 và M10 trên hình 3.16 cho ta thấy sự gắn kết giữa các hạt cũng như sự chảy nhòe biên hạt trong các mẫu khi hàm lượng PMnN tăng. Biên hạt chảy nhòe làm cho các khe hở giữa các hạt được lấp đầy, khối lượng riêng của mẫu tăng lên khi hàm lượng của PMnN tăng (hình 3.8). Với mẫu M4, (hình 3.16a) các hạt gốm gần như tách biệt với biên hạt rõ, có “màng” nối giữa các hạt. Bắt đầu từ x ≥ 0,06, tại biên hạt trong mẫu đã có hiện tượng chảy nhịe (hình 3.16b, c, d), khi biên hạt đã được lấp đầy thì khối lượng riêng của mẫu gần như không tăng nữạ Quan sát các hạt bên trong lỗ hổng của các mẫu (các hình 3.15, 3.16), ta thấy bên trong khối gốm thì các hạt gắn kết với nhau, cịn tại những nơi “lộ thiên” thì chúng bị bào mòn do nhiệt, PbO lỏng bay hơi để lại những lớp vân như “ruộng bậc thang” trên bề mặt hạt.
5 µm
5 µm 5 µm
5 µm 5 µm