CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.5. SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN KHÔNG CHÌ
Các vật liệu áp điện không chì đã được quan tâm nhiều từ những năm 1950 [84]. Những công bố về các hệ gốm áp điện không chì từ năm 1950
được thống kê trong hình 1.13 [78].
Hình 1.13. Thống kê các nghiên cứu về gốm áp điện không chì từ năm 1950 đến tháng 11 năm 2008
Có thể thấy, từ năm 1950 đến trước năm 2000, hầu hết các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng tập trung vào các dung dịch rắn trên nền PZT (gọi chung là vật liệu chứa chì), bởi lẽ, các vật liệu chứa chì có các tính chất tốt, phương pháp chế tạo đơn giản, giá thành thấp. Số lượng thiết bị kỹ thuật sử dụng vật liệu chứa chì phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên, sự phát thải các chất độc hại trong những thiết bị thải này và việc xử lý an toàn chúng là mối quan tâm lớn.
Do vậy, từ năm 2000, các hệ vật liệu không chì được nghiên cứu nhiều hơn.
Năm 2003, Liên minh châu Âu đã xác định rằng, các vật liệu chứa chì sẽ được thay thế bằng các vật liệu an toàn [78]. Từ đó, tổ chức này đã đầu tư những dự án lớn để tìm kiếm các vật liệu áp điện thân thiện. Nhiều nguyên tố hóa học thích hợp đã được lựa chọn đảm bảo giá thành thấp và ít độc hại nhất.
Các cấu trúc tinh thể khác nhau từ các nguyên tố này được khảo sát, nhiều giản đồ pha với MPB hấp dẫn được xây dựng để lựa chọn các thành phần vật liệu có các tính chất áp điện tốt. Tuy nhiên, mọi nỗ lực nhằm tìm kiếm một vật liệu tiềm năng thay thế triệt để các vật liệu chứa chì vẫn chưa thành hiện thực. Giải pháp trước mắt là hạn chế tối đa việc sử dụng gốm áp điện có chứa chì trong ứng dụng kỹ thuật, đồng thời đẩy mạnh nghiên cứu phát triển các hệ vật liệu không chì [78].
Ngày 1 tháng 7 năm 2006, Chỉ thị về việc hạn chế sử dụng các chất độc hại trong thiết bị kỹ thuật (Restriction of the use of certain Hazardous Substances -RoHS) được thông qua bởi Hội đồng châu Âu chính thức có hiệu lực nhằm ngăn chặn việc tái sử dụng, hoặc tái chế thiết bị kỹ thuật thải để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. RoHS áp dụng cho các loại thiết bị sử dụng trong hộ gia đình, công nghiệp, ngoại trừ các thiết bị y khoa, dụng cụ kiểm tra, giám định, và bộ phận thay thế cho thiết bị cũ hơn. Các thiết bị áp điện sử dụng các vật liệu chứa chì vẫn được cho phép trong Liên minh châu Âu, nhưng sẽ bị cấm ngay khi có thể thay thế được. RoHS cũng đang được xây dựng ở nhiều quốc gia khác [78].
Trong khuôn khổ pháp lý nói trên, các nhà khoa học vật liệu đã thống kê đầy đủ về độc tính, giá cả của các chất và phân loại chúng để định hướng cho những nghiên cứu vật liệu trong tương lai (hình 1.14) [78].
Hình 1.14. Thống kê giá và mức độc hại của các nguyên tố hóa học
Như đã thấy trên hình 1.14, mức độ độc hại của các nguyên tố chia thành ba loại. Độc tính của các hợp chất liên quan chặt chẽ với từng thành phần. Hình 1.14 có thể giúp các nhà chế tạo vật liệu đánh giá về độc tính của
các sản phẩm cuối cùng mà họ quan tâm. Theo đó, màu xanh lá cây, da cam, vàng biểu thị loại không độc, loại khá độc và độc, tương ứng. Các chất có mức độ độc hại có thể kích thích và gây hại tối đa trong trường hợp tiếp xúc trực tiếp, ảnh hưởng cấp tính đến các sinh vật sống và rất nguy hiểm cho môi trường. Hình 1.14 cũng giải thích tại sao vật liệu không chì trên nền niobate kiềm và bismuth là sự lựa chọn phổ biến nhất để thay thế cho các vật liệu chứa chì.
Ở Việt Nam, tính đến thời điểm này, số lượng các công bố liên quan đến vật liệu áp điện không chì rất hạn chế, chủ yếu tập trung ở Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế và Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các nghiên cứu đầu tiên về vật liệu áp điện không chì được thực hiện vào năm 2012 bởi PGS. TS. Võ Duy Dần và các cộng sự. Các tác giả đã công bố một số kết quả ban đầu về vật liệu trên cơ sở (K, Na)NbO3 [1], [2]. Sự tạo pha của bột K Na TiO0,5 0,5 3 kích thước nano bằng phương pháp nghiền năng lượng cao cũng được nghiên cứu thông qua các phép phân tích cấu trúc bởi tác giả Nguyễn Đức Văn [98]. Tiếp đó là các nghiên cứu của chúng tôi thực hiện trên hệ BZTBCT ở phương diện mô phỏng và thực nghiệm (xem Danh mục các công trình liên quan đến luận án).
Các tính chất điện môi của hệ vật liệu Ba1xCa TiOx 3 cũng được nghiên cứu bởi tác giả Lê Văn Hồng và cộng sự [41], [54]. Gần đây, hai tác giả Nguyễn Trường Thọ và Lê Đại Vương đã có báo cáo về công nghệ chế tạo và một số tính chất điện của hệ BiFe0,91(Mn0,47Ti0,53 0,09 3) O -BaTiO3 [91].
Nhìn chung, hướng nghiên cứu về gốm áp điện không chì vẫn diễn ra sôi nổi, đang là vấn đề cấp thiết của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.
Chúng tôi hy vọng, những kết quả thu được trong quá trình thực hiện luận án này sẽ góp phần làm phong phú thêm những thông tin về vật liệu áp điện không chì, nhất là đối với hệ vật liệu BZTBCT.