Ảnh hưởng của CuO đến tính chất điện của hệ gốm PZT  PZN  PMnN

4.2. Ảnh hưởng của CuO đến hoạt động thiêu kết và các tính chất điện của hệ gốm PZT–PZN–PMnN

4.2.2 Ảnh hưởng của CuO đến tính chất điện của hệ gốm PZT  PZN  PMnN

Để xác định các thành phần hóa học của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO, phổ EDS của mẫu MC4 (0,125 % kl CuO) đã được phân tích và kết quả cho ở Hình 4.20. Bên cạnh các nguyên tố của mạng tinh thể nền (Pb, Zr, Ti, Nb, Zn và Mn) còn có nguyên tố Cu, có khả năng các ion Cu2+

đã đi vào mạng nền và làm thay đổi cấu trúc của vật liệu từ mặt thoi sang tứ giác (Hình 4.21).

0.005 0.010 0.015 0.020 0.20

0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60

Hệ số liên kết điện cơ k p

Nồng độ CuO (%kl) 800 oC

830 oC 850 oC 870 oC

Hình 4.19. Sự phụ thuộc của hệ số liên kết điện cơ kp vào nồng độ CuO của mẫu thiêu

kết tại các nhiệt độ khác nhau

102

Hình 4.21 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO thiêu kết tại 850 oC. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy, mẫu MC0 có cấu trúc mặt thoi, các mẫu còn lại có cấu trúc tứ giác. Khi gia tăng nồng độ CuO trên 0,125 % kl bắt đầu xuất hiện pha thứ hai. Điều này liên quan đến giới hạn hòa tan của Cu trong gốm PZT-PZN-PMnN [50].

Hình 4.20. Phổ EDS của gốm PZT–PZN–PMnN pha tạp CuO Nb

Pb

O Ti

Zr

Nb Ti

Mn Cu Cu Pb Pb

Hình 4.21. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu gốm PZT-PZN-PMnN với các nồng độ CuO

2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0

100

0



 P h a t h ứ 2

0 : 0 . 0 0 0 k l % C u O 1 : 0 . 0 5 0 k l % C u O 2 : 0 . 0 7 5 k l % C u O 3 : 0 . 1 0 0 k l % C u O 4 : 0 . 1 2 5 k l % C u O 5 : 0 . 1 5 0 k l % C u O 6 : 0 . 1 7 5 k l % C u O

C−ờng độ (a.u)

G ã c 2 ( ® é )

1 2 3 4 5

 6

001 101 300220211112

201102

111 200002

R100 R300

R220

R211

R210

R111 R200

103

Hình 4.22. Ảnh hiển vi điện tử quét của các mẫu thuộc nhóm mẫu MC

104

Bảng 4.8. Các kết quả tính toán kích thước hạt, thông số mạng và mật độ gốm của nhóm mẫu MC từ việc phân tích SEM và nhiễu xạ tia X

Mẫu

Kích thước hạt trung bỡnh (àm)

Mật độ

(g/cm3) Hằng số mạng (Å) Tỷ số c/a

a = b c

MC0 0,20 ±0,05 6,42±0,03 4,062±0,001 4,062±0,001 1,0000±5.10-4 MC1 0,52±0,05 7,47±0,02 4,032±0,002 4,104±0,001 1,0179±7.10-4 MC2 0,70±0,01 7,73±0,02 4,034±0,001 4,104±0,001 1,0174±5.10-4 MC3 1,17±0,01 7,82±0,01 4,036±0,001 4,106±0,001 1,0173±5.10-4 MC4 1,20±0,01 7,91±0,01 4,036±0,001 4,104±0,001 1,0168±5.10-4 MC5 1,10±0,01 7,86±0,01 4,038±0,001 4,102±0,001 1,0158±5.10-4 MC6 0,90±0,01 7,74±0,01 4,032±0,001 4,104±0,001 1,0179±5.10-4

Từ kết quả phân tích ảnh SEM (Hình 4.22) cho thấy kích thước hạt trung bình của gốm tăng ứng với nồng độ CuO tăng. Mẫu MC4 (0,125 % kl CuO) có kích thước hạt lớn nhất (1,2 m), các hạt gốm xếp chặt, hình ảnh vi cấu trúc đồng đều, tương ứng với mật độ gốm lớn (7,91 g/cm3). Sau đó kích thước hạt giảm khi nồng độ CuO tiếp tục tăng. Mẫu ứng với nồng độ 0,125

% kl CuO được chọn là mẫu ứng với giới hạn hòa tan của ion Cu2+ vào hệ PZT-PZN-PMnN [50], [81]. Đây cũng chính là mẫu có các tính chất điện môi, áp điện và sắt điện tốt nhất. Khi nồng độ CuO lớn vượt quá giới hạn hòa tan đó, chúng sẽ tích tụ tại biên hạt và ngăn cản sự phát triển cỡ hạt đồng thời dễ dàng hình thành pha thứ 2 không mong muốn (mẫu MC5 và MC6, Hình 4.22) [50].

105

4.2.2.2. Ảnh hưởng của CuO đến tính chất điện môi của gốm PZT–PZN–PMnN Bảng 4.9 biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan của các mẫu MC (thiêu kết ở 850 oC) tại nhiệt độ phòng và tại tần số 1kHz. Như đã thấy, hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan của hệ gốm PZT-PZN-PMnN phụ thuộc vào nồng độ CuO. Khi gia tăng nồng độ CuO, hằng số điện môi tăng dần và đạt giá trị cực đại ( = 1179) ứng với nồng độ CuO là 0,125 % kl (MC4) và sau đó giảm. Tại nồng độ 0,125 % kl CuO tổn hao điện môi tan có giá trị cực tiểu (tan = 0,006), sau đó tan tăng theo nồng độ CuO tăng.

Bảng 4.9. Các giá trị trung bình của hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan của các mẫu MC đo ở nhiệt độ phòng tại tần số 1kHz

Mẫu MC0 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MC6

 418 580 899 1048 1179 1094 1045

Tan 0,026 0,016 0,0076 0,006 0,006 0,0064 0,0064 Hình 4.23 biểu diễn sự phụ

thuộc nhiệt độ của hằng số điện môi và tổn hao điện môi của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO đo tại 1 kHz. Từ Hình 4.23, chúng tôi xác định các thông số điện môi như max, Tm. Kết quả được liệt kê trên Bảng 4.10. Các kết quả làm khớp giữa số liệu thực nghiệm và hệ

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

50 100 150 200 250 300 350 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 M C 0

M C 1 M C 2 M C 3 M C 4 M C 5 M C 6

Hằng số điện môi  Tổn hao điện môi tan

N hiệt đ ộ T (0C )

Hình 4.23. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi theo nhiệt độ tại tần

số 1KHz của nhóm mẫu MC

106 thức (3.1) được biểu diễn trên

Hình 4.24. Giá trị  của tất cả các hệ mẫu nằm trong khoảng từ 1,63 đến 1,86 (Bảng 4.10) đã chứng minh một cỏch rừ ràng về sự chuyển pha nhòe. Kết quả làm khớp còn cho thấy rằng, khi nồng độ CuO tăng, độ nhòe

 tăng theo, nghĩa là tính bất trật tự tại vị trí B trong vật liệu PZT-PZN-PMnN gia tăng theo nồng độ CuO.

Bảng 4.10. Các giá trị của hằng số điện môi cực đại max, nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại Tm và độ nhòe  của các mẫu MC tại tần số 1kHz

Mẫu MC0 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MC6

max 1433 5566 7264 7969 12042 6411 5137

Tm(oC) 278 270 267 266 266 263 261

 1,63 1,74 1,77 1,84 1,86 1,77 1,62

Theo các kết quả phân tích phổ năng lương EDS (Hình 4.20) của mẫu MC4 cho thấy ngoài các nguyên tố trong mẫu nền còn xuất hiện nguyên tố Cu. Điều đó chứng tỏ rằng CuO không những đóng vai trò là chất chảy giảm nhiệt độ thiêu kết của hệ gốm PZT-PZN-PMnN mà còn làm thay đổi cấu trúc và gia tăng độ nhòe của gốm PZT-PZN-PMnN tức là gia tăng độ bất trật tự trong cấu trúc tinh thể của vật liệu. Có thể giải thích rằng, sự khác biệt đáng kể cả về bán kính ion và hóa trị của Cu2+ (0,073 nm) so với Ti4+ (0,061 nm)

0 1 2 3 4 5

M0 

M1 

M2 

M3 

M4 

M5 

Ln (T -Tm) Ln(1/1/ max)

M6 

F it

Hình 4.24. Sự phụ thuộc của ln(1/ -1/max) theo ln(T-Tm) tại T  Tm của nhóm mẫu MC

107

[53] đã làm cho độ bất trật tự trong hệ vật liệu PZT-PZT-PMnN lớn. Do đó khi Cu2+ tăng, sẽ làm gia tăng tính bất trật tự trong hệ vật liệu PZT-PZT- PMnN tức gia tăng độ nhòe .

Hình 4.25 biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan theo nhiệt độ đo tại các tần số khác nhau 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz và 1000 kHz. Kết quả cho thấy hằng số điện môi và tổn hao điện môi phụ thuộc mạnh vào tần số đo, chứng tỏ có sự tán sắc điện môi. Tương ứng với tần số tăng, đỉnh cực đại của hằng số điện môi giảm và dịch chuyển về phía nhiệt độ cao phù hợp với đặc trưng của các sắt điện chuyển pha nhòe [81].

4.2.2.3. Ảnh hưởng của CuO đến tính chất áp điện của gốm PZT–PZN–PMnN Từ kết quả đo phổ dao động cộng hưởng radian và bề dày của hệ gốm PZT-PZN-PMnN + z % kl CuO thiêu kết ở 850 oC, hệ số liên kết điện cơ kp, kt, k31, hệ số áp điện d31 và hệ số phẩm chất cơ học Qm của các mẫu MC đã được xác định. Kết quả cho ở Bảng 4.11 và Hình 4.26.

Hình 4.25. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi theo nhiệt độ của các mẫu MC đo tại các tần số khác nhau.

0 50 100 150 200 250 300 350 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Hằng số điện môi,  Tổn hao điện môi, tan

Nhiệt độ (oC) MC4

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

50 100 150 200 250 300 350 1000

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

Hằng số điện môi, Tổn hao điện môi, tan

Nhiệt độ (oC) MC5

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

50 100 150 200 250 300 350 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Hằng số điện môi, Tổn hao điện môi, tan

Nhiệt độ (oC) MC6

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz 0

2000 4000 6000

50 100 150 200 250 300 350 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Tổn hao điện môi, tan

Hằng số điện môi, 

Nhiệt độ (oC) MC1

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

50 100 150 200 250 300 350 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Tổn hao điện môi, tan

Hằng số điện môi, 

Nhiệt độ (oC) MC2

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

50 100 150 200 250 300 350 0

2000 4000 6000 8000 10000

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Hằng số điện môi,  Tổn hao điện môi, tan

Nhiệt độ (oC) MC3

1 kHz 10kHz 100kHz 1000kHz

108

Có thể thấy từ Bảng 4.11, hệ số liên kết điện cơ kp, kt theo phương radian và theo phương bề dày có giá trị từ 0,16 – 0,55 và 0,16 – 0,46, tương ứng. Khi nồng độ CuO tăng, hệ số liên kết điện cơ tăng và đạt giá trị cực đại (kp= 0,55, kt = 0,46) tại 0,125 % kl CuO, sau đó giảm khi nồng độ CuO tiếp tục tăng (Hình 4.26(a)). Tương ứng với nồng độ CuO tăng, hệ số áp điện d31 tăng dần và đạt giá trị cực đại (112,8 pC/N) ứng với nồng độ CuO là 0,125 % kl, sau đó giảm khi nồng độ CuO tiếp tục tăng. Sự gia tăng của các thông số áp điện được giải thích từ sự gia tăng kích thước hạt ứng với nồng độ CuO tăng [45], [81].

Bảng 4.11. Các giá trị trung bình của hệ số liên kết điện cơ kp, kt, k31, hệ số áp điện d31 và hệ số phẩm chất cơ học Qm của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO

Mẫu kp kt k31 d31 (pC/N) Qm

MC0 0,16 0,16 0,09 28,64 178 MC1 0,23 0,25 0,13 41,36 206 MC2 0,48 0,39 0,28 86,94 693 MC3 0,54 0,44 0,31 104,0 828 MC4 0,55 0,46 0,32 112,8 1176 MC5 0,54 0,42 0,31 107,8 884 MC6 0,53 0,39 0,31 102,0 834 Theo Xu [81] sự gia tăng kích thước hạt dẫn đến làm gia tăng độ linh động của cách vách đômen nên tính chất áp điện tăng. Tuy nhiên, khi nồng độ CuO tăng vượt quá 0,125 % kl, các tính chất áp điện giảm. Điều này được giải thích bởi sự hình thành pha thứ hai trong các mẫu gốm ứng với mẫu MC5 và MC6 (Hình 4.21). Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu của Kim và cộng sự [46] trên hệ gốm 0,65Pb(Zr0,42Ti0,58)O3 - 0,35Pb(Ni0,33Nb0,67)O3 pha tạp CuO.

109

Hình 4.26(b) biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất cơ Qm và tổn hao điện môi tanδ theo nồng độ CuO. Có thể nhận thấy rằng, khi nồng độ CuO tăng, hệ số phẩm chất cơ học Qm tăng nhanh và tổn hao điện môi tanδ giảm mạnh. Ứng với nồng độ CuO là 0,125 % kl, hệ số phẩm chất cơ học Qm

đạt giá trị cực đại (Qm = 1176) và tổn hao điện môi có giá trị cực tiểu (tanδ = 0,006). Điều này có thể giải thích là do CuO đóng vai trò tạp cứng (a-xep-to).

Khi đưa CuO vào hệ PZT-PZN-PMnN, ion Cu2+ sẽ thay thế vào vị trí B trong cấu trúc perovskite [13], [53], [45], [50], [65]. Để bù trừ điện tích trong mạng tinh thể tạo ra các chỗ khuyết ôxi (VO), các chỗ khuyết ôxi này sẽ gây nên biến dạng định xứ của mạng tinh thể và ngăn cản sự chuyển động của các đômen. Kết quả là hệ số phẩm chất cơ học Qm tăng và tổn hao điện môi tanδ giảm [81]. Tuy nhiên, khi tiếp tục gia tăng nồng độ CuO, tổn hao điện môi tăng, hệ số phẩm chất cơ học Qm giảm. Điều này liên quan đến giới hạn hòa tan của ion Cu2+ vào PZT-PZN-PMnN và sự hình thành pha thư hai. Kết quả này phù hợp với các kết quả nghiên cứu của Li (2013) [53] trên hệ gốm Pb[(Mn1/3Sb2/3)0, 06(Ni1/2W1/2)0,02-(Zr0,49Ti0,51)0,92]O3 pha tạp CuO.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

kp d31

Nồng độ CuO (%kl) Hệ số liên kết điện cơ kp, kt

20 40 60 80 100 120 140

Hệ số áp điện, d31(pC/N)

kt

(a) (b)

Hình 4.26. Sự phụ thuộc của hệ số liên kết điện cơ (a) hệ số phẩm chất cơ học Qm

và tổn hao điện môi tanδ (b) theo nồng độ CuO

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 200

400 600 800 1000 1200 1400

Nồng độ CuO (%kl) Hệ số phẩm chất cơ Qm

0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035

Tổn hao điện môi tan

(b)

110

4.2.2.4. Ảnh hưởng của CuO đến tính chất sắt điện của gốm PZT–PZN–PMnN Hình 4.27 là dạng đường trễ sắt điện của các mẫu gốm đo bằng phương pháp Sawyer-Tower. Chúng đều có dạng đặc trưng của vật liệu sắt điện relaxor với dạng đường trễ mảnh. Từ các dạng đường trễ, điện trường kháng Ec và phân cực dư Pr đã được xác định. Kết quả cho ở Bảng 4.12.

Bảng 4.12. Các thông số đặc trưng cho tính chất sắt điện của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO: độ phân cự dư Pr, điện trường kháng EC

Mẫu MC0 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MC6

EC (kV/cm) 6,7 5,52 5,46 5,14 4,52 5,29 6,5

Pr (C/cm2) 5,9 7,89 9,37 12,7 16,1 12,01 9,94 Có thế thấy rằng, khi nồng độ CuO tăng, điện trường kháng giảm dần và đạt giá trị cực tiểu là 4,52 kV/cm ứng với mẫu 0,125 % kl CuO sau đó tăng dần khi tăng nồng độ CuO. Phân cực dư tăng theo nồng độ CuO tăng và đạt

Hình 4.27. Dạng đường trễ của nhóm mẫu MC: MC1 (0,05 % kl CuO), MC2 (0,075 % kl CuO), MC3 (0,10 % kl CuO), MC4 (0,125 % kl CuO), MC5 (0,15 % kl

CuO), MC6 (0,175 % kl CuO)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 MC3

§é ph©n cùc, P(C/cm2)

Điện tr−ờng, E (kV/cm)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 MC2

§é ph©n cùc, P(C/cm2)

Điện tr−ờng, E (kV/cm)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

§é ph©n cùc, P(C/cm2)

Điện tr−ờng, E (kV/cm) MC1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

MC6

§é ph©n cùc, P(C/cm2)

Điện tr−ờng, E (kV/cm)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

MC5

§é ph©n cùc, P(C/cm2)

Điện tr−ờng, E (kV/cm)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

MC4

§é ph©n cùc, P(C/cm2)

Điện tr−ờng, E (kV/cm)

111

giá trị cực đại là 16,05 C/cm2ứng với nồng độ CuO là 0,125 % kl, sau đó giảm khi nồng độ CuO tăng. Các kết quả nghiên cứu tính chất sắt điện phù hợp với các kết quả nghiên cứu tính chất điện môi và áp điện.

Từ các kết quả trên có thể kết luận rằng: hệ gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp CuO đạt giá trị tối ưu khi nồng độ CuOlà 0,125 % kl và nhiệt độ thiêu kết ở 850 oC. Với nồng độ CuO và nhiệt độ thiêu kết này hệ gốm PZT-PZN- PMnN có tính chất điện môi, áp điện và tính chất sắt điện tốt (Tm = 266 oC;

 = 1179; d31 = 112,8 pC/N; kp = 0,55; kt = 0,46; Qm = 1176 và Pr = 16,1 C/cm2).

Với các thông số điện như vậy, hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN pha tạp CuO có khả năng ứng dụng để chế tạo các biến tử siêu âm công suất, biến thế áp điện, mô tơ siêu âm và nhiều ứng dụng khác. Trong luân án này, chúng tôi đã sử dụng hệ gốm PZT – PZN – PMnN + 0,10 % kl CuO để chế tạo các biến tử dùng làm đầu phát cho máy rửa siêu âm (sẽ trình bày trong phần 4.3).

Bảng 4.13. So sánh các tính chất của gốm đã chế tạo với gốm của các công trình khác có cùng loại tạp CuO

Vật liệu Ts (oC)  kp

Pr

(C/cm2) Qm

PZT – PZN – PMnN + 0,125

% kl CuO (*) 850 1179 0,55 16,05 1176

PMN –PT – PZ

+ 0,25 % kl CuO [77] 950 - 0,58 30 75

PCW-PMnN-PZT

+ 0,3 % kl CuO [16] 980 1357 0,50 - 1967

PZT–PZN–PMN

+ 0,2 % kl CuO [13] 920 982 0,53 7 1645

112

Bảng 4.13 trình bày các kết quả nghiên cứu của hệ gốm PZT – PZN – PMnN + 0,125 % kl CuO và một số công bố gần đây của các tác giả khác nghiên cứu trên cùng loại tạp CuO. Theo các tài liệu chúng tôi có cho đến nay thì chưa thấy tác giả nào sử dụng CuO để giảm nhiệt độ của hệ gốm PZT – PZN – PMnN. Do đó, chúng tôi chỉ đưa ra một số công trình đã công bố sử dụng CuO để giảm nhiệt độ thiêu kết cho các hệ gốm trên cơ sở PZT như được thống kê ở Bảng 4.13. So với các tác giả khác, các thông số của vật liệu chúng tôi chế tạo có các giá trị tương đương và nhiệt độ thiêu kết thấp hơn.

4.3. Thử nghiệm chế tạo máy rửa siêu âm trên cơ sở biến tử áp điện PZT- PZN-PMnN

Hệ gốm PZT – PZN – PMnN + 0,10 % kl CuO thiêu kết ở 850 oC là một trong các hệ gốm đã chế tạo có các tính chất tốt đáp ứng yêu cầu của một biến tử siêu âm. Do vậy, chúng tôi sử dụng hệ gốm này để thử nghiệm chế tạo máy rửa siêu âm. Các biến tử được chế tạo theo dạng xuyến với đường kính ngoài 35 mm, đường kính trong 12 mm, bề dày 6 mm (Hình 4.28(a)). Các biến tử xuyến này được ghép với nhau theo kiểu Langevin (Hình 4.28(b)).

Hình 4.28. Dạng hình học của biến tử xuyến (a) và biến tử ghép theo kiểu Langevin (b)

113

Hình 4.29 là phổ dao động cộng hưởng của biến tử xuyến (Hình 4.29(a)) và biến tử ghép kiểu Langevin (Hình 4.29(b)). Từ đây xác định được các đặc trưng cộng hưởng: tần số cộng hưởng fs, tần số phản cộng hưởng fp, trở kháng cực tiểu Zmin (ứng với fs) và trở kháng cực đại Zmax (ứng với fp) và bậc nhảy Zmax/ Zmin (Bảng 4.14).

Bảng 4.14. Các đặc trưng cộng hưởng của biến tử xuyến

fs (kHz) fp (kHz) Zmin (Ω) Zmax (Ω) Zmax/Zmin tan

50,2 54,2 10,7 155820 14563 0,004

Sơ đồ khối của một máy rửa siêu âm gồm 3 phần (Hình 4.30).

Hình 4.30. Sơ đồ khối của máy rửa siêu âm

Hình 4.31 là hình ảnh máy rửa siêu âm thành phẩm. Cho máy hoạt động ổn định với điện áp vào là 220 V, dòng điện tiêu thụ là 0,20 A. Ghi lại tín hiệu của máy bằng dao động ký số Tektronix TDS 1000B (Hình 4.32(a)) từ đó xác định

Nguồn Mạch điện tử Đầu phát sóng siêu âm Hình 4.29. Phổ cộng hưởng áp điện của các biến tử biến tử hình xuyến (a) và biến

tử Langevin (b)

48 50 52 54 56

101 102 103 104 105

-120 -80 -40 0 40 80 120

Tổng trở, Z ()

TÇn sè f (kHz)

Góc pha (độ)

(a)

102 103 104

50 52 54

-80 -40 0 40 80

Tổng trở, Z ()

TÇn sè f (kHz)

Góc pha (độ)

(b)

114

tần số làm việc, biên độ tín hiệu siêu âm của máy là 40,26 kHz, và 1500 V, tương ứng. Hình 4.32(b) biểu diễn hình ảnh các bọt khí phun lên khi máy rửa siêu âm hoạt động. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng sinh lỗ hổng (cavitation). Nhờ có hiệu ứng hiệu ứng sinh lỗ hổng mà chúng tôi đo được công suất hoạt động của máy rửa thông qua phép đo nhiệt lượng [2]. Khi sóng siêu âm truyền trong chất lỏng, hiệu ứng sinh lỗ hổng xảy ra làm phát sinh nhiệt. Ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ của khối chất lỏng theo thời gian sóng siêu âm lan truyền, từ đó chúng tôi xác định được công suất siêu âm của máy khoảng 40 W.

Hình 4.31. Máy rửa siêu âm thành phẩm

-0.01 0.00 0.01

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

U (V)

T (s)

Tektronix TDS 1000B

Hình 4.32. Dạng tín hiệu phát (a) và hình ảnh bể rửa (b) của máy rửa siêu âm hoạt động

(a) (b)

115

Các kết quả trình bày trong chương này đã được chúng tôi báo cáo tại hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 8 (SPMS-2013) – Thái Nguyên 4-6/11/2013, Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Vật lý kỹ thuật và ứng dụng (CAEF-2013), Huế, 8-12 tháng 10 năm 2013 và công bố trên Tạp chí khoa học - Đại học Huế (2013), tạp chí Journal of Modern Physics (2014), tạp chí International Journal of Chemistry and Materials Research (2014) và tạp chí Journal of Materials Science and Chemical Engineering (2014).