Nghiên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr,Ti)O3 + xPb(Mn1/3Nb2/3)O3] (x = 0 ÷ 12%mol) (PZT-PMnN) pha tạp La

184 836 4
  • Loading ...
1/184 trang
Tải xuống

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 08/05/2014, 15:05

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU THÂN TRỌNG HUY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC TÍNH CHẤT CỦA GỐM ÁP ĐIỆN [(1-x)Pb(Zr,Ti)O 3 + xPb(Mn 1/3 Nb 2/3 )O 3 ] x = 0 ÷ 12%mol (PZT-PMnN) PHA TẠP La LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội, tháng 3 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU THÂN TRỌNG HUY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC TÍNH CHẤT CỦA GỐM ÁP ĐIỆN [(1-x)Pb(Zr,Ti)O 3 + xPb(Mn 1/3 Nb 2/3 )O 3 ] x = 0 ÷ 12%mol (PZT-PMnN) PHA TẠP La CHUYÊN NGÀNH : VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ MÃ SỐ : 62440123 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. PGS. TS. LÊ VĂN HỒNG 2. TS. TRƯƠNG VĂN CHƯƠNG Hà Nội, tháng 3 năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan: đây công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lê Văn Hồng TS. Trương Văn Chương, thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế. Các số liệu kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Lê Văn Hồng TS. Trương Văn Chương, những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Các Thầy thực sự những nhà khoa học mẫu mực, luôn quan tâm, động viên khích lệ tôi khi gặp khó khăn cả trong công việc trong cuộc sống, cùng học trò chia sẻ cả thất bại lẫn thành công. Các Thầy đã truyền cho tôi hứng thú niềm hạnh phúc lớn lao trong nghiên cứu khám phá khoa học, biết vượt qua khó khăn để vươn tới. Được làm việc với các Thầy, tôi học tậpcác Thầy tinh thần tận tụy với học trò nghiêm túc trong nghiên cứu khoa học, trong hiện tại cả mai sau. Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ Giáo dục Đào tạo, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Khoa học Vật liệu, trường Đại học Khoa học Huế trường Đại học Phú Xuân đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, vật chất cũng như tinh thần để tôi thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn GS. TS. Viện trưởng Nguyễn Quang Liêm, GS. TSKH. Nguyễn Xuân Phúc, GS. TS. Đào Trần Cao, PGS. TS. Nguyễn Xuân Nghĩa, các TS. Vũ Đình Lãm, Lê Văn Tuất đã thường xuyên quan tâm động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Mạnh Sơn, các TS. Trần Đăng Thành, Đỗ Hùng Mạnh Nguyễn Đình Tùng Luận đã có nhiều bàn luận khoa học ý kiến đóng góp quý giá. Trong suốt thời gian thực hiện luận án, tôi luôn luôn được sự động viên, chia sẻ giúp đỡ của tập thể cán bộ các đơn vị: Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học - Đại học Huế cũng như Phòng thí nghiệm các Vật liệu Từ Siêu dẫn, Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam. Trong thời gian thực hiện công việc xa nhà, tôi như vẫn được sống trong không khí gia đình, lòng biết ơn của tôi không thể diễn tả được bằng lời. Tôi cũng mong muốn được cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong trường Đại học Phú Xuân đã quan tâm, hỗ trợ tôi trong công việc để tôi có điều kiện thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi tới những người thân yêu trong gia đình nhỏ của tôi lòng biết ơn vượt ngoài giới hạn của ngôn từ. Sự động viên, hỗ trợ hy sinh thầm lặng của bố mẹ, vợ con, anh em thực sự thể hiện những tình cảm vô giá, nguồn động lực tinh thần vô cùng mạnh mẽ giúp tôi kiên trì vượt qua khó khăn, trở ngại để đi đến kết quả cuối cùng. Mong rằng hai con Duy - Hân sẽ nỗ lực học tập hơn nữa để vươn tới thành công trên con đường học vấn, góp phần làm sáng danh dòng họ. Hà Nội, tháng 03 năm 2014 Tác giả MỤC LỤC Trang MỘT SỐ KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG LUẬN ÁN i DANH MỤC CÁC HÌNH BẢNG iv MỞ ĐẦU 1 Chương 1. CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN 7 1.1. TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU 7 1.1.1. Vật liệu sắt điện 7 1.1.2. C huyển pha sắt điện. Lý thuyết Ginzburg- Landau- Devonshire 12 1.1.3. Sắt điện chuyển pha nhòe 15 1.2. TÍNH CHẤT CỦA CÁC VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN 17 1.2.1. Các thông số áp điện quan trọng 17 1.2.2. Phương trình trạng thái mô tả hiệu ứng áp điện 19 1.3. VẬT LIỆU GỐM PZT-PMnN 21 1.3.1. Vật liệu PZT pha tạp 21 1.3.2. PZT pha tạp Mn Nb 29 1.3.3. Một số tính chất của gốm áp điện PZT-PMnN 33 Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 37 2.1. CHẾ TẠO MẪU 37 2.1.1. Quy trình chế tạo mẫu gốm bằng phương pháp truyền thống 37 2.1.2. Máy nghiền hành tinh PM400/2 38 2.1.3. Một số vấn đề giải pháp trong tổng hợp vật liệu 38 2.1.4. Phương pháp co-lum-bit các phương pháp tương tự 39 2.1.5. Phụ gia thiêu kết phương pháp nung nhanh 40 2.2. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VẬT LIỆU 41 2.3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN 42 2.3.1. Đường trễ sắt điện 42 2.3.2. Hằng số điện môi, tổn hao điện môi nhiệt độ Curie 44 2.3.3. Tính chất sắt điện của vật liệu 45 2.4. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ÁP ĐIỆN 47 2.4.1. Đo trên mẫu dạng đĩa 49 2.4.2. Đo trên mẫu dạng thanh hay hình trụ rỗng mỏng 51 2.4.3. Đo trên bản dao động theo chiều dày 52 2.4.4. Hệ số phẩm chất cơ Q m 53 2.4.5. Các hằng số tần số N p , N t 53 2.4.6. Xác định các thông số vật liệu áp điện theo chuẩn 87 53 Chương 3. CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN PZT - PMnN 58 3.1. CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN PE-ROV-SKIT 3 THÀNH PHẦN PZT- PMnN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CO-LUM-BIT 58 3.1.1. Nguyên liệu đầu vào 58 3.1.2. Chế tạo vật liệu 60 3.2. CHẤT LƯỢNG VẬT LIỆU GỐM 65 3.2.1. Xác định khối lượng riêng của vật liệu sau thiêu kết 65 3.2.2. Phân tích thành phần pha của gốm PZT - PMnN 68 3.2.3. Ảnh SEM của vật liệu trong quá trình chế tạo gốm 73 3.3. CHẾ TẠO VẬT LIỆU PZT - PMnN PHA TẠP LANTAN (La) 76 3.3.1. Chế tạo vật liệu PZT - PMnN pha tạp La 76 3.3.2. Phân tích vật liệu 76 Chương 4. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 81 4.1. CÁC TÍNH CHẤT SẮT ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU 81 4.1.1. Đường trễ sắt điện 81 4.1.2. Đáp ứng điện môi 86 4.2. CÁC TÍNH CHẤT ÁP ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU 97 4.2.1. Tính chất áp điện của vật liệu PZT - PMnN 98 4.2.2. Tính chất áp điện của vật liệu PZT - PMnN pha tạp La 104 4.2.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của tính chất áp điện trong PZT – PMnN pha tạp La 107 Chương 5. GỐM PZT-PMnN ỨNG DỤNG 114 5.1. MÁY RỬA SIÊU ÂM DÙNG BIẾN TỬ GỐM ÁP ĐIỆN 114 5.1.1. Biến tử ghép 114 5.1.2. Ép sơ bộ để chế tạo biến tử ghép 115 5.1.3. Lắp ráp cụm biến tử ghép 117 5.1.4. Lắp máy rửa siêu âm 120 5.1.5. Đánh giá tính chất vật liệu trong trường mạnh 122 5.1.6. Ứng dụng sóng siêu âm trong chế tạo vật liệu 124 5.2. MÁY PHÁT SIÊU ÂM DẢI RỘNG 126 5.2.1. Mạch điện tử phát sóng siêu âm dải rộng 126 5.2.2. Đặc tính của máy phát siêu âm dải rộng 127 KẾT LUẬN 131 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 PHỤ LỤC 150 i MỘT SỐ KÝ HIỆU ĐƯỢC DÙNG TRONG LUẬN ÁN Α Diện tích bề mặt (m 2 ). ΒΤ BaTiO 3 . DPT Chuyển pha nhòe (Diffuse Phase Transition). d, w, t, l Đường kính, chiều rộng, chiều dày, chiều dài tương ứng (m). d mi Các thành phần của hệ số áp điện (10 -12 m/V). E C Trường điện kháng (V/m). F Năng lượng tự do Gibbs. f s , f p Tần số cộng hưởng nối tiếp, song song (Hz). f a , f r Tần số cộng hưởng phản cộng hưởng (Hz). f m , f n Tần số cộng hưởng ứng với giá trị Z m Z n (Hz). G Độ dẫn (Ω -1 ). GLD Ginzburg – Landau – Devonshire. g ịj Hệ số điện áp áp điện, (10 -3 Vm/N). k p Hệ số liên kết bề mặt. k t Hệ số liên kết theo chiều dày. k ij Các thành phần của hệ số liên kết điện cơ. k 31 Hệ số liên kết ngang (hoặc bên). k 33 Hệ số liên kết theo chiều dài. k 15 Hệ số liên kết xoắn. K 3 T Hằng số điện môi tương đối của mẫu tự do theo phương phân cực. MPB Biên pha hình thái (Morphotropic Phase Boundary). N p , N t Hằng số tần số ở các mode dao động theo bán kính theo chiều dày (Hz.m). P r Độ phân cực dư (C/m 2 ). P s Độ phân cực tự phát (C/m 2 ). PMN Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 . PMnN Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 )O 3 . ii PMS Pb(Zr,Ti)O 3 -Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O 3 . PSbN Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O 3 . PT PbTiO 3 . PZ PbZrO 3 . PZN Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 . PZT Pb(Zr,Ti)O 3 , Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 . PZT 53/47 Pb(Zr 0,53 Ti 0,47 )O 3 . Q e Độ phẩm chất cộng hưởng điện. Q m Độ phẩm chất cơ. SBT SrBi 2 Ta 2 O 9 . SEM Hiển vi điện tử quét. S-T (phương pháp) Sawyer – Tower. s E , s D Suất đàn hồi tương ứng với điều kiện điện trường không đổi mật độ điện tích không đổi (10 -12 m 2 /N) . s ij Các thành phần của ten-sơ đàn hồi. S Độ biến dạng. S ij Các thành phần của ten-sơ biến dạng. t Thời gian (s). TEM Hiển vi điện tử truyền qua. tg δ Hệ số tổn hao (độ tổn hao điện môi, tangent góc tổn hao). T ij Các thành phần của ten-sơ ứng suất. T Nhiệt độ (°C, K). T B Nhiệt độ Burn (°C, K) của sắt điện re-la-xo. T C Nhiệt độ chuyển pha (°C, K). Với sắt điện thường, T C = Θ. T m Nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại (°C, K). VG (phương pháp) đất ảo (Virtual Ground). v Vận tốc. v 0 Vận tốc dao động cơ của vật liệu khi nhiệt độ tăng lên 20 o C. Y Mô-đun đàn hồi (mô-đun Young). [...]... - Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về gốm áp điện: Các tính chất sắt điện áp điện của vật liệu áp điện, các vấn đề về gốm PZT PZT pha tạp Chương này cũng -6- tập trung vào các vấn đề liên quan đến vật liệu PZT pha tạp Mn, Nb PMnN - Chương 2: giới thiệu các phương pháp thực nghiệm trong chế tạo nghiên cứu vật liệu, các chuẩn IEEE về áp điện được sử dụng để tính các thông số áp điện - Chương... lượng gốm theo yêu cầu cải thiện các thông số liên quan - Xây dựng các chương trình xử lý số liệu mạnh để nghiên cứu các tính chất của gốm áp điện được chế tạo - Nghiên cứu các tính chất chuyển pha, cấu trúc, vi cấu trúc của vật liệu - Thử nghiệm ứng dụng chế tạo biến tử phát siêu âm công suất cho máy rửa siêu âm, máy phun siêu âm các ứng dụng khác Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo gốm bằng... số áp điện của họ mẫu MX Bảng 4.7 Các thông số áp điện của họ mẫu M7LY Bảng 5.1 Điện áp áp điện thuận trên các biến tử (ép 300 0kG) -1- MỞ ĐẦU Khi được phân cực, vật liệu gốm sắt điện trở thành vật liệu có cực sở hữu các tính chất sắt điện áp điện gần như những đơn tinh thể Chúng được sử dụng thay thế cho các đơn tinh thể áp điện đắt tiền khó chế tạo Hiện nay, một trong những vật liệu áp điện. .. số vật liệu áp điện thành phần phức Bảng 1.3 Các tính chất điện môi áp điện của các gốm PZT PZT:Nb Bảng 1.4 Tính chất của một vài dung dịch rắn nhiều thành phần có chứa PMnN Bảng 2.1 Hình dạng mẫu các tính chất áp điện liên quan Bảng 2.2 Các hệ số đa thức của (2.17) (2.18) Bảng 3.1 Khối lượng nguyên liệu với các tỷ lệ x khác nhau (0 – 12.% mol) Bảng 3.2 Công thức hóa học của các mẫu PZT... Ảnh hưởng của Nb tới (a) kt (b) kp trong gốm Pb1 -0, 5x(Zr0,52Ti0,48)1xNbxO3 Hình 1.18 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu gốm Pb1 -0, 5x(Zr0,52Ti0,48)1-xNbxO3 Hình 1.19 (a)Độ thẩm điện môi ε/ 0 (b) hệ số liên kết bề mặt kp của gốm Pb[ZrxTiy)(Mn1/3Nb2/3)z]O3 (x+ y+z=1) Hình 1. 20 Hệ số nhiệt độ của (a) hằng số điện môi (TCε) (b) hằng số tần số (TCF) của gốm Pb[ZrxTiy)(Mn1/3Nb2/3)z]O3 (x+ y+z=1) Hình 2.1... trung vào việc khảo sát một số đặc tính của vật liệu mà tác giả quan tâm chú ý đến một mảng ứng dụng nào đó của vật liệu Nhìn chung, hệ dung dịch rắn đa thành phần giữa PZT PMnN có thành phần cận biên pha, pha tạp đất hiếm vẫn chưa được chú trọng nghiên cứu một cách có hệ thống Do đó, chúng tôi chọn Nghiên cứu chế tạo các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr,Ti)O3xPb(Mn1/3Nb2/3)O3] x = 0 ÷. .. thái (1.14) (1.15) được viết dưới dạng tường minh bởi hệ các phương trình sau đây: D1 = ε1E1 + d15T5 (1.16) D2 = ε2E2 + d15T4 (1.17) D3 = ε3E3 + d31(T 1+ T2) + d33T3 (1.18) E E E S1 = s11T1 + s12T2 + s13T3 + d31E3 (1.19) E E E S2 = s11T2 + s12T1 + s13T3 + d31E3 (1. 20) E E S3 = s13 (T1 + T2 ) + s33T3 + d33 E3 (1.21) E S4 = s44T4 + d15 E2 (1.22) E S5 = s44T5 + d15 E1 (1.23) E E E S6 = s66T6 = 2( s11 −... PZT-Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 pha tạp La có độ ổn định thành phần tốt tính áp điện tốt -5- - Quá trình chuyển pha; trễ sắt điện; tính chất áp điện của vật liệu - Xác định mối quan hệ giữa cấu trúc, vi cấu trúc với các thông số áp điện, điện môi của vật liệu chế tạo được - Giải thích định tính, định lượng, mô hình hoá các kết quả thực nghiệm * Nghiên cứu triển khai ứng dụng: - Đưa ra được một hệ gốm áp điện mới làm... trình chế tạo vật liệu PZT - PMnN PZT - PMnN pha tạp La được chế tạo bằng phương pháp co-lum-bit với nhiệt độ thời gian thiêu kết khác nhau để lựa chọn chế độ thiêu kết tối ưu Chương này cũng trình bày các kết quả phân tích cấu trúc vi cấu trúc của các vật liệu thu được - Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu tính chất sắt điện áp điện của vật liệu PZT-PMnN chứa 0 ÷ 12% PMnN PZT... nào, tính chất áp điện của PZT thuần vẫn chưa đủ mạnh để có thể ứng dụng được Nhằm nâng cao chất lượng của gốm PZT, tuỳ theo yêu cầu, người ta áp dụng nhiều biện pháp pha tạp, với các kiểu pha tạp đồng hóa trị, pha tạp khác hóa trị hoặc pha tạp bằng các ô-xít phức Tùy theo i-on pha tạp khác hóa trị, gốm PZT có thể có kp tăng (bị mềm hóa), hoặc có Qm tăng (cứng hóa) [127,1 30] Phương pháp pha tạp bằng các . chúng tôi chọn Nghiên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr,Ti)O 3 – xPb(Mn 1/3 Nb 2/3 )O 3 ] x = 0 ÷ 12 %mol (PZT-PMnN) pha tạp La làm mục đích nghiên cứu của luận án. Bản. sắt điện 81 4.1.2. áp ứng điện môi 86 4.2. CÁC TÍNH CHẤT ÁP ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU 97 4.2.1. Tính chất áp điện của vật liệu PZT - PMnN 98 4.2.2. Tính chất áp điện của vật liệu PZT - PMnN pha. PZT pha tạp Mn và Nb 29 1.3.3. Một số tính chất của gốm áp điện PZT-PMnN 33 Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 37 2.1. CHẾ TẠO MẪU 37 2.1.1. Quy trình chế tạo mẫu gốm bằng
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr,Ti)O3 + xPb(Mn1/3Nb2/3)O3] (x = 0 ÷ 12%mol) (PZT-PMnN) pha tạp La, Nghiên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr,Ti)O3 + xPb(Mn1/3Nb2/3)O3] (x = 0 ÷ 12%mol) (PZT-PMnN) pha tạp La, Nghiên cứu chế tạo và các tính chất của gốm áp điện [(1-x)Pb(Zr,Ti)O3 + xPb(Mn1/3Nb2/3)O3] (x = 0 ÷ 12%mol) (PZT-PMnN) pha tạp La

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn