CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN
1.3.3. Một số tính chất của gốm áp điện PZT-PMnN
Các cơng trình của Ise Ọ [52], Ryu J. [103]-[106], Uchino K. [123], … cho thấy hệ gốm PZT-PMnN có hệ số liên kết kp đạt trên 0,50; Qm từ 2200 đến 3700; tổn hao tgδ < 0,5%, nhiệt độ chuyển pha TC ~ 330oC, vận tốc truyền sóng dao động cơ trong vật liệu v > 0,79m/s. Những thông số này đáp ứng tốt yêu cầu của vật liệu áp điện trong các ứng dụng cơng suất lớn.
Một loạt các cơng trình về vật liệu PZT-PMnN do nhóm Li B. và đồng sự [63- 68], [129],[139-140], thực hiện tại Viện Nghiên cứu Gốm Thượng Hải đã thu được nhiều kết quả có tính hệ thống về hệ vật liệu này: PZT-PMnN có hệ số áp điện d33 khoảng 300pC/N, độ phẩm chất cơ Qm ~ 1300, hệ số liên kết điện cơ kp có thể đạt tới 0,58. Trong PZT-PMnN, vai trò của Mn và Nb đối với tính chất áp điện của vật liệu được thể hiện thơng qua vai trị của các i-on tạp cứng Mn2+, Mn3+ và i-on tạp mềm Nb5+, khi thế chỗ cho i-on vị trí B đã tạo nên chỗ khuyết ơ-xi và chỗ khuyết chì tương ứng. Trong PZT, i-on Mn2+ tạo nên nhiều chỗ khuyết ô-xi hơn i-on Mn3+:
Mn2O3 → 2Mn’B + 3OO + VO MnO → Mn’’B + OO + VO
Tức là i-on Mn2+ gây nên “độ cứng” nhiều hơn so với i-on Mn3+. Đây là cơ sở để ta vận dụng khi muốn tăng độ phẩm chất cơ Qm.
Đóng góp phân cực chính trong PZT-PMnN là đóng góp của lưỡng cực do khuyết tật. Đây là đóng góp ngồi, vì liên quan tới dịch chuyển vách đô-men [31],[61-64],[67].
Trong các ứng dụng cần độ ổn định cao như mạch lọc tần số, hệ số nhiệt của hằng số điện môi (TCε) và hệ số nhiệt của tần số (TCF) của PZT-PMnN vẫn chưa
đáp ứng được yêu cầụ Khi tăng hàm lượng Nb, các hệ số TCε, TCF sẽ giảm. Vật liệu pha tạp đồng thời Mn và Nb, với tỷ lệ Mn/Nb = 1/5 thỏa mãn tốt yêu cầu đối với vật liệu chế tạo các bộ lọc tần số [22],[46].
(a) (b)
Hình 1.19. (a)Độ thẩm điện môi ε/ε0 và (b) hệ số liên kết bề mặt kp của gốm
Pb[ZrxTiy)(Mn1/3Nb2/3)z]O3 (x+y+z=1).
(a) (b)
Hình 1.20. Hệ số nhiệt độ của (a) hằng số điện môi (TCε) và (b) hằng số tần số (TCF) của
gốm Pb[ZrxTiy)(Mn1/3Nb2/3)z]O3 (x+y+z=1).
Tổng hợp kết quả nghiên cứu hệ gốm này ở cận biên pha về: hằng số điện môi của gốm đã phân cực, hằng số liên kết bề mặt kp và sự phụ thuộc nhiệt độ của tần số và hằng số điện môi, với các nồng độ [Mn1/3Nb2/3] khác nhau từ 2 đến 20%, thể hiện trên các hình 1.20 và 1.21 [46]. Kết quả cho thấy: khi nồng độ [Mn1/3Nb2/3] tăng, biên pha hình thái dịch chuyển liên tục về phía nồng độ Zr giảm dần.
Bảng 1.4. Tính chất của một vài dung dịch rắn nhiều thành phần có chứa PMnN. Thành phần vật liệu Tạp (%wt) Qm d33 (pC/N) kp K T tgδ (%) TLTK Pb0,98Sr0,02(Mg1/3Nb2/3)0,06 (Mn1/3Nb2/3)0,06(Zr0,48Ti0,52)0,88O3 0,2% CeO2 2379 307 0,55 1200 0,5 [16] Pb[(Zr0,499Ti0,461)(Mn0,05/3Nb0,1/3)]O3 - x - 1300 - x - 0,55 - x - - x - [68] Pb0,94Sr0,06(Zr0,57Ti0,43)0,9 (Mn1/3Nb2/3)0,1O3 - x - 1644 154 0,44 501 0,6 [96] Pb0.98Ca0.01Sr0.01[(Zr0.52Ti0.48)0.94 (Mn1/3Nb2/3)0.054Cu0.006]O3 < 1% ZnO 1280 285 0,56 980 0,23 [120] Pb0.95Sr0.05[(Mn1/3Nb2/3)0,04 (Zr0,52Ti0,48)0,96]O3 - x - 2900 319 0,59 1600 0,30 [131] Pb(Ni1/2W1/2)0,02 (Mn1/3Nb2/3)0,07 (Zr0,49Ti0,51)0,91O3 0,5% PbO + 0,3%Fe2O3+ 0,25%CeO2 1886 - x - 0,50 1302 - x - [135] Pb0,94Sr0,06[(Zr0,57Ti0,43) 0,9 (Mn1/3Nb2/3)0,07(Ni1/2W1/2)0,03]O3 0,1% CeO2 1405 388 0,60 2140 0,59 [136] Pb0,98Sr0,02(Mn1/3Sb2/3)yZrzTi1-y-zO3 (0<y<0,1; 0,4<z<0,5) - x - 1620 348 0,57 1370 0,62 [139]
Tổng hợp về các tính chất điện mơi và áp điện chủ yếu của gốm có thành phần PZT-PMnN cận biên pha là:
- Hằng số điện môi ε/ε0 < 1100
- Hệ số liên kết điện cơ bề mặt kp = 0,51 – 0,533 - Độ phẩm chất cơ Qm = 1600 – 3700
- Tổn hao điện môi: tgδ < 1,20% - Nhiệt độ chuyển pha TC < 350oC
- Vận tốc dao động cơ v = 0,79 – 1,0 m/s
- Hệ số nhiệt độ 0 < TCε < 1000ppm/K; – 200 < TCF < 300ppm/K
- Điều quan trọng là từ các giản đồ và các bảng thơng số trên, ta có thể xác định được tỷ lệ Zr/Ti tại biên pha, ứng với vị trí mà TCε và TCF đổi dấụ
- Từ các giản đồ trên hình 1.19 và 1.20, ta nhận thấy vật liệu 3 thành phần PZT-PMnN, với hàm lượng Zr từ 45 – 50% và PMnN từ 5 - 10% có kp max = 0,51;
ε/ε0 trong khoảng từ 1000 - 1100. Tuy nhiên, các chỉ số phản ánh độ ổn định nhiệt là chưa tốt: TCε = 1000 - 2200ppm/K và TCF = 50 - 250ppm/K.
Để so sánh, một số kết quả nghiên cứu đã cơng bố về tính chất một số dung dịch rắn nhiều thành phần được thống kê trên bảng 1.4. [56].