CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN PZT-PMnN
3.1.2.2. Chế tạo vật liệu PZT-PMnN
Quy trình chế tạo vật liệu được mơ tả trên hình 3.4 [9]. Nguyên liệu đầu phải được sấy khơ hồn tồn trước khi cân.
Trước tiên, MnCO3 và Nb2O5 được cân theo tỷ lệ hợp thức, nghiền trong 8 giờ trong máy nghiền hành tinh PM 400/2, tốc độ 100v/ph ở chế độ đảo chiều rồi ép thành viên dưới áp suất 1T/cm2. Chế độ tổng hợp co-lum-bit MnNb2O6 là nung ở 1250oC trong 3 giờ.
Sau khi có co-lum-bit, PbO, ZrO2, TiO2 và MnNb2O6 được cân theo tỷ lệ thành phần như trên bảng 3.1. Sau khi nghiền 10 giờ trong cồn bằng máy nghiền hành tinh
với cùng chế độ như trên, hỗn hợp được sấy khô, ép dưới áp suất 1T/cm2 và nung sơ bộ (tổng hợp) ở 850oC trong 2 giờ. Hợp chất đã tổng hợp được - là gốm chưa thành phẩm - được đập vỡ và nghiền tiếp trong 15 giờ, sau đó sấy khơ, ép thành từng mẫu đường kính 12mm, dày 2mm dưới áp suất 2T/cm2 để đạt được trên 65% khối lượng riêng lý thuyết. Nhờ đó các hạt bột gốm được ép sát nhau, tạo điều kiện cho phản ứng thiêu kết xảy ra dễ dàng hơn.
Hình 3.4. Quy trình chế tạo gốm PZT-PMnN bằng phương pháp co-lum-bit [9].
Lò nung của hãng Lenton (Anh) được sử dụng trong quá trình tổng hợp và thiêu kết. Chế độ gia nhiệt được kiểm soát tự động theo chương trình đặt trước: Tăng từ nhiệt độ phòng đến 200oC với tốc độ 3oC/phút; giữ ở 200oC trong 30 phút, sau đó tăng đến nhiệt độ 850oC (tổng hợp) hoặc 1150oC (thiêu kết) với tốc độ 5oC/phút. Cuối quá trình thiêu kết, giảm nhiệt độ về 1050oC, giữ trong 30 phút, sau đó để nguội tự nhiên trong lò. Các chế độ nhiệt độ và thời gian thiêu kết khác nhau đã được thực hiện để xác định chế độ thiêu kết tối ưụ
Để ngăn cản sự bay hơi mạnh của PbO trong các quá trình nung, đặc biệt là quá trình thiêu kết với nhiệt độ cao, người ta thường sử dụng bột PZT để phủ lên mẫu
thiêu kết, tạo mơi trường khí quyển chứa hơi PbO trong cốc nung đậy kín. PbZrO3 có áp suất hơi bão hịa PbO cao hơn chút ít so với áp suất hơi bão hịa PbO của PZT (hình 3.5) [82] nên hỗn hợp PbZrO3 + 20%ZrO2 được chọn để làm chất phủ, ở đây ZrO2 có tác dụng giảm áp suất hơi PbO của PbZrO3. Hình 3.6 mơ tả cách chuẩn bị cốc đựng mẫụ Cốc phải được đậy thật kín để hạn chế hơi PbO thốt rạ Một số tác giả cịn dùng biện pháp lật úp cốc khi thiêu kết [124].
Hình 3.5. Áp suất hơi PbO bão hòa của
các gốm chứa Pb theo nhiệt độ [82].
Hình 3.6. Chuẩn bị cốc đựng
mẫu thiêu kết.
Sau khi nung thiêu kết, chỉ khi mẫu có độ co ngót tốt thì mới có thể có được các tính chất điện - cơ tốt. Độ co ngót phụ thuộc nhiều vào áp lực ép trước khi nung. Với áp lực ép 2T/cm2, độ co ngót vào khoảng 10 ÷ 15%, mẫu có đường kính 12mm sau khi thiêu kết sẽ có đường kính cịn khoảng 10,8mm ÷ 10,4mm.
Mẫu đã thiêu kết được đo khối lượng riêng, được mài song phẳng trên đĩa mài của máy mài Labpol bằng các cỡ giấy nhám có số tăng dần đến độ dày ~ 1mm, cuối cùng được đánh bóng bằng giấy nhám số 2000. Mẫu được phủ điện cực bạc (Ag) bằng phương pháp đốt nóng keo bạc ở 450oC, sau đó được đo các thông số sắt điện.
Mẫu dùng để đo tính chất áp điện được phân cực dưới điện trường 3MV/m, nhiệt độ 120oC, thời gian 25 phút trong dầu cao thế. Sau khi phân cực, mẫu được để già hóa ít nhất 48 giờ để quá trình khử phân cực xảy ra một cách tự nhiên. Sau thời gian này tính chất của mẫu mới ổn định, ta đo phổ trở kháng và phổ pha để tính các thơng số tính chất áp điện như nội dung đã trình bày trong chương 2.