CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN
1.3.1.4. Pha tạp kép và gốm nhiều thành phần
Bên cạnh việc pha một loại tạp, ta có thể kết hợp nhiều loại tạp khác nhaụ Ví dụ: (Pb,La)(Zr,Ti)O3 pha tạp Mn, thì La là tạp mềm thế chỗ của Pb; Mn là tạp cứng thế chỗ của Ti hoặc Zr một cách ngẫu nhiên. Mỗi loại tạp đóng một vai trị riêng, chúng bổ sung cho nhau để cải thiện tính chất vật liệu theo mong muốn của người sử dụng trong từng ứng dụng cụ thể.
Bên cạnh pha tạp cho PZT, người ta cịn có thể làm biến tính vật liệu theo hướng chế tạo các dung dịch rắn nhiều thành phần trên cơ sở PZT. Đặc biệt sau khi chế tạo và nghiên cứu vật liệu sắt điện Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN), Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (PZN); dung dịch rắn giữa Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 và PbTiO3 (PMN-PT) đã được chế tạọ PMN-PT có hằng số điện mơi rất lớn (ε/ε0 > 15.000), nó được sử dụng trong cơng nghiệp chế tạo tụ điện. Đồng thời tính áp điện của nó cũng rất tốt: đơn tinh thể PMN-PT có độ biến dạng lớn đến 1,7%. Từ những năm 1970 trở đi, nhiều hệ gốm khác có cấu trúc pe-rov-skit phức hợp cũng đã được nghiên cứu, như PZT- Pb(Co1/2Nb1/2)O3, PZT-Pb(Mg1/2W1/2)O3... [17],[18],[46],[55],[56],[92],[117],[130].
Bảng 1.2. Một số vật liệu áp điện thành phần phức hợp [46].
Ký hiệu thành phần phức Các i-on
(A1+1/2A3+1/2)(Zr,Ti)O3 A1+ : Li, Na, K, Ag A3+ : Bi, La, Ce, Nd A2+(B1+1/4B5+3/4)(Zr,Ti)O3 A2+ : Pb, Sr
B1+ : Li, K, Ag
Pb(B2+1/3B5+2/3)(Zr,Ti)O3 B2+ : Mg, Ni, Zn, Mn, Co, Fe, Cu Pb(B3+1/2B5+1/2)(Zr,Ti)O3 B3+ : Mn, Sb, Al, Fe, Co, Yb, In
B5+ : Nb, Sb, Ta Pb(B3+2/3B6+1/3)(Zr,Ti)O3 B6+ : W, Te, Re Pb(B2+1/2B6+1/2)(Zr,Ti)O3
Hình 1.14 là cấu trúc của hai loại gốm pe-rov-skit phức ĂB’B”)O3 với A là Pb hoặc Ba; B’ = Mg, Zn, Y, Fe, Nd hoặc Gd vv..., còn B” = Nb hoặc Ta [124]. Pe- rov-skit phức hợp PMnN thuộc về nhóm ĂB2+1/3B5+2/3)O3, trong đó i-on Mn có hóa trị 2+. Đa số các gốm áp điện thành phần phức đều là các re-la-xo tức là có sự thăng giáng tỷ số nồng độ các ion vị trí B, sự có mặt của các i-on như Mn (hoặc Cr) trong thành phần phức có tác dụng tăng tính ổn định của vật liệụ
Hình 1.14. Cấu trúc của các pe-rov-skit phức hợp ĂB3+
1/2B5+1/2)O3 và ĂB2+1/3B5+2/3)O3.
Các hệ nhiều thành phần hơn đã và đang được tiếp tục chế tạo, chúng phát huy được những thế mạnh của cả PZT lẫn các pe-rov-skit phức hợp. Cho đến nay, hàng trăm loại gốm áp điện nhiều thành phần đã được nghiên cứu, là hỗn hợp của PZT (hoặc PT) với các thành phần còn lại là pe-rov-skit phức hợp.
(a)
Hình 1.15. (a) Giản đồ pha gốm 3 thành phần PbZrO3 - PbTiO3 - Pb(B’B”)O3 [56] (b) Giản đồ pha gốm 5 thành phần PZ-PT-(PMN-PNN)-PSN [46].
Nhìn chung, các hệ gốm áp điện nhiều thành phần đều có hệ số liên kết điện cơ
kp, hằng số điện môi, phân cực dư Pr, phẩm chất cơ học Qm… đạt cực đại trong vùng biên pha giữa sắt điện mặt thoi (R) và sắt điện tứ giác (T); trong khi pha thuận điện có cấu trúc lập phương (C) như trên hình 1.15.