CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI, SẮT ĐIỆN VÀ ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN
3.3. Tính chất áp điện của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN
Để xác định tính chất áp điện của vật liệu, phổ dao động cộng hưởng của các mẫu đã được đo tại nhiệt độ phòng. Từ Hình 3.12 đến Hình 3.15 là kết quả đo phổ dao động cộng hưởng radian và phổ dao động cộng hưởng theo bề dày của các nhóm mẫu MP và MZ tại nhiệt độ phòng. Từ kết quả phổ dao động thu được, chúng tôi xác định tần số cộng hưởng fs và tần số phản cộng hưởng fp, tổng trở Zmin và các số liệu liên quan khác, sử dụng chuẩn IRE [38], [39] để tính toán các giá trị trung bình của hệ số liên kết điện cơ k31, kP, kt, hệ số áp điện d31 và hệ số phẩm chất cơ học Qm đã được liệt kê trong Bảng 3.6.
Đối với nhóm mẫu MP, khi hàm lượng PZT tăng, các thông số áp điện như: kp, kt, k31, d31 và Qm ban đầu có xu hướng giảm (tại x = 0,7) sau đó gia tăng đạt giá trị lớn nhất tại x = 0,8. Khi hàm lượng PZT tăng trên 0,8 mol, các tính chất áp điện giảm (Hình 3.16(a)). Có thể thấy, PZT đã cải thiện đáng kể các tính chất điện môi, sắt điện và áp điện của gốm PZT-PZN-PMnN. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Vittayakorn và Cann [74] trên hệ gốm 0,5PNN–(0,5−x)PZN–xPZT.
200 210 220 230 240
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 MP80 100
Z (
TÇn sè f (kHz)
Góc pha (độ)
200 210 220 230 240
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Z (
TÇn sè f (kHz) MP70
Góc pha (độ)
200 210 220 230 240
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 MP75 100
Z (
TÇ è f (kH )
Góc pha (độ)
74
200 210 220 230 240 250
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 MZ46 100
Z (
TÇn sè f (kHz)
Gãc pha (®é)
200 210 220 230 240
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Z (
TÇn sè f (kHz) MZ47
Góc pha (độ)
200 210 220 230 240 250
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 MZ48 100
Z (
TÇn sè f (kHz)
Góc pha (độ)
200 210 220 230 240 250
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 MZ49 100
Z (
TÇn sè f (kHz)
Góc pha (độ)
200 210 220 230 240 250
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 MZ50 100
Z (
TÇn sè f (kHz)
Gãc pha (®é)
210 220 230 240 250
100 101 102 103 104 105
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 MZ51 100
Z (
TÇn sè f (kHz)
Góc pha (độ)
Hình 3.13. Phổ dao động radian của các mẫu gốm MZ
4000 5000 6000 7000 8000
Z (
MP90
4000 5000 6000 7000
Z (
MP85
6000 8000 10000
Z (
MP80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MP75
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MP70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MP65
75
Bảng 3.6. Các giá trị trung bình của hệ số liên kết điện cơ kp, k31, kt, hệ số áp điện d31 và hệ số phẩm chất cơ học Qm của gốm PZT-PZN-PMnN
Mẫu kP kt k31 d31 (pC/N) Qm
MP65 0,56 0,45 0,33 118 958 MP70 0,55 0,45 0,33 118 901
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1000 2000 3000 4000 5000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MZ51
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MZ50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 2000 4000 6000 8000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MZ49
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MZ48
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MZ47
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Z (
TÇn sè f (MHz)
MZ46
Hình 3.15. Phổ dao động theo bề dày của các mẫu gốm MZ
76
MP75 0,57 0,46 0,34 124 934 MP80 0,58 0,48 0,34 130 1034 MP85 0,56 0,45 0,33 119 952 MP90 0,50 0,40 0,29 101 794
Mẫu kP kt k31 d31(pC/N) Qm
MZ46 0,57 0,43 0,34 121 1142 MZ47 0,58 0,48 0,34 130 1103 MZ48 0,62 0,51 0,35 140 1112 MZ49 0,56 0,49 0,33 118 981 MZ50 0,53 0,47 0,31 108 861 MZ51 0,51 0,46 0,30 82 859 Như đã thấy từ các ảnh vi cấu trúc của nhóm mẫu MP, khi hàm lượng PZT nhỏ hơn 0,8 mol, mẫu (MP65, MP70) có nhiều lỗ xốp và biên hạt không được rừ ràng. Do đú mật độ gốm thấp và cỏc tớnh chất điện của vật liệu thấp.
Khi nồng độ PZT là 0,8 mol, các hạt xếp chặt và kích thước hạt trung bình của gốm là lớn nhất ( 1,04 m), mật độ gốm cao nhất (7,81 g/cm2, Bảng 2.1).
Với kích thước hạt và mật độ gốm lớn nhất sẽó các tính chất điện môi, sắt điện và áp điện tốt nhất so với các mẫu còn lại trong nhóm mẫu MP [81]. Tuy nhiên, khi hàm lượng PZT lớn hơn 0,8 mol, mẫu (MP85, MP90) xuất hiện pha vô định hình ở biên hạt (Hình 2.8). Có khả năng với PZT lớn (> 0,8 mol), với nhiệt độ nóng chảy thấp lượng PbO dư thừa đã tạo thành pha vô định hình ở biên hạt và làm giảm các tính chất điện môi, sắt điện và áp điện của vật liệu [3].
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0.6 0.7 0.8 0.9
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
60 80 100 120 140 160
kp kt k31
Hệ số áp điện d 31 (pC/N) Hệ số phẩm chất cơ Q m
Hệ số liên kết điện cơ k p, k t, k 31
Qm d31 (a)
77
Đối với nhóm mẫu MZ, các thông số áp điện như: kp, kt, k31, d31 tăng theo nồng độ Zr tăng và đạt giá trị lớn nhất ứng với nồng độ Zr là 48 % mol (Zr/Ti = 48/52) và sau đó giảm. Điều này được giải thích bằng hiệu ứng gia tăng kích thước hạt của mẫu gốm [81]. Theo đó sự gia tăng kích thước hạt dẫn đến làm gia tăng chuyển động của cách vách đômen nên tính chất áp điện tăng. Trong khi hệ số phẩm chất Qm giảm nhẹ theo tỷ số Zr/Ti tăng (Hình 3.16(b)).
Các nghiên cứu về tính chất điện môi, sắt điện, áp điện trong khoảng tỉ số Zr/Ti từ 46/54 đến 51/49 đã xác nhận rằng hệ vật liệu PZT-PZN-PMnN có hằng số điện môi , độ phân cực dư Pr, hệ số liên kết điện cơ kp, kt, k31, hệ số áp điện d31, hệ số phẩm chất cơ học Qm đạt giá trị cực đại tại tỷ số Zr/Ti = 48/52. Đây là thành phần ứng với mẫu có kích thước hạt lớn nhất ( 1,18 m) và mật độ gốm cao nhất (7,86 g/cm2, Bảng 2.2). Sự tăng kích thước hạt dẫn đến làm
78
tăng độ linh động của cách vách đômen nên các tính chất điện môi, sắt điện và áp điện tăng [44], [81]. Theo kết quả nghiên cứu của Muanghlua và cộng sự [64] trên hệ gốm Pb0,97Sr0,03[(Zr1-x,Tix)0,87–(Zn1/3Nb2/3)0,06–(Mn1/3Nb2/3)0,07
]O3 (x = 48, 50, 52) đã chỉ ra rằng với sự thay đổi tỷ số Zr/Ti từ 48/52 đến 52/48, cấu trúc của vật liệu thay đổi từ cấu trúc tứ giác sang cấu trúc mặt thoi.
Thành phần ứng với tỷ số Zr/Ti = 50/50 là thành phần ứng với biên pha hình thái học (MPB), các tính chất sắt điện áp điện của vật liệu là tốt nhất tại thành phần này. Từ các kết quả nghiên cứu của chúng tôi trên hệ gốm PZT–PZN–
PMnN cho thấy, ứng với tỷ số Zr/Ti nằm trong khoảng từ 46/54 đến 52/48 chưa xuất hiện biên pha hình thái học mà chỉ tồn tại pha tứ giác. Các tính chất điện môi, áp điện và sắt điện của mẫu tốt nhất tại tỷ số Zi/Ti = 48/52 (MZ48) không phải do hiệu ứng MPB [59], [64] mà do hiệu ứng kích thước hạt và mật độ gốm tăng [45], [81]. Quy luật biến đổi của các tính chất áp điện của các nhóm vật liệu MP và MZ phù hợp với kết quả nghiên cứu vi cấu trúc, mật độ gốm, tính chất điện môi và tính chất sắt điện trước đó và cũng phù hợp với các công trình đã công bố [30], [59].
Để đánh giá khách quan về chất lượng gốm đã chế tạo, các kết quả về tính chất của gốm PZT-PZN-PMnN được so sánh với các công bố mới đây của các tác giả khác nghiên cứu trên cùng hệ này (Bảng 3.7). So với các tác giả khác, các thông số điện môi, áp điện và sắt điện của gốm chúng tôi chế tạo có các giá trị cao hơn và nhiệt độ thiêu kết thấp hơn nhiều. Đây là một điểm mới của luận án. Tuy nhiên, hệ số phẩm chất cơ học Qm của hệ gốm chúng tôi có giá trị thấp hơn so với tác giả [34]. Để cải thiện hệ số này, chúng tôi đã sử dụng Fe2O3 để pha vào hệ gốm PZT-PZN-PMnN (sẽ được trình bày trong chương tiếp theo).
Bảng 3.7. So sánh các tính chất của gốm đã chế tạo với gốm của các công trình khác
79
Vật liệu Ts (oC) max kp
Pr
(C/cm2) Qm
PZT-PZN-PMnN (*) 950 1319 19473 0,62 34,5 1112 PZT-PZN-PMnN [29] 1200 842 - 0,57 - 1020
PZT–PMZN [34] 1275 1150 9500 0,55 2528
PZT-PZN-PMnN [64] 1150 - - - 25,95 -
Các kết quả nghiên cứu tính chất điện môi, áp điện và sắt điện của gốm PZT-PZN-PMnN trong chương này đã được chúng tôi báo cáo tại hội nghị
“IWAMSN-2012” và công bố trong tạp chí Indian Journal of Engineering &
Materials Sciences (2013) và tạp chí International Journal of Materials and Chemistry (2013).