luận án tiến sỹ nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở pzt và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe

149 471 0
  • Loading ...
1/149 trang
Tải xuống

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 02/12/2014, 17:19

i L ời cảm ơn Trớc tiên, tôi xin by tỏ lời cảm ơn chân thnh v sự tri ân sâu sắc đến Thầy Giáo PGS. TS. Phan Đình Giớ đã tận tình hớng dẫn v truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức quý báu, giúp tôi thực hiện tốt đề ti luận án ny. Tôi xin chân thnh cảm ơn quí thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý, Trờng Đại học Khoa học Huế đã dạy dỗ, v tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện đề ti. Bên cạnh đó tôi cũng nhận đợc sự quan tâm tạo điều kiện v giúp đỡ của Trờng Cao đẳng Công nghiệp Huế, Khoa Công nghệ Hóa - Môi trờng v sự động viên của bạn bè đồng nghiệp. Cuối cùng, lòng biết ơn trân trọng dnh cho Gia đình đặc biệt l B Nội, Vợ Con v những ngời thân luôn ở bên tôi, hỗ trợ vật chất v động viên tinh thần, giúp tôi thực hiện tốt đề ti luận án. Huế, 2014 Lê Đại Vơng I HC HU TRNG I HC KHOA HC Lấ I VNG NGHIấN CU CH TO V CC TNH CHT VT Lí CA H GM A THNH PHN TRấN C S PZT V CC VT LIU ST IN CHUYN PHA NHềE Chuyờn ngnh: Vt lý Cht rn Mó s: 62.44.01.04 LUN N TIN S VT Lí Ngi hng dn khoa hc: PGS. TS Phan ỡnh Gi HU, 2014 ii L ời cảm ơn Trớc tiên, tôi xin by tỏ lời cảm ơn chân thnh v sự tri ân sâu sắc đến Thầy Giáo PGS. TS. Phan Đình Giớ đã tận tình hớng dẫn v truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức quý báu, giúp tôi thực hiện tốt đề ti luận án ny. Tôi xin chân thnh cảm ơn quí thầy cô giáo trong Khoa Vật Lý, Trờng Đại học Khoa học Huế đã dạy dỗ, v tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện đề ti. Bên cạnh đó tôi cũng nhận đợc sự quan tâm tạo điều kiện v giúp đỡ của Trờng Cao đẳng Công nghiệp Huế, Khoa Công nghệ Hóa - Môi trờng v sự động viên của bạn bè đồng nghiệp. Cuối cùng, lòng biết ơn trân trọng dnh cho Gia đình đặc biệt l B Nội, Vợ Con v những ngời thân luôn ở bên tôi, hỗ trợ vật chất v động viên tinh thần, giúp tôi thực hiện tốt đề ti luận án. Huế, 2014 Lê Đại Vơng iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phan Đình Giớ. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Đại Vương iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT PT PbTiO 3 PZ PbZrO 3 PZT PbZr 1-x Ti x O 3 PZN Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 ) PMnN Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 ) PNN Pb(Ni 1/3 Nb 2/3 ) PZT-PZN Pb(Zr,Ti)O 3 – Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 ) PZT-PMnN Pb(Zr,Ti)O 3 – Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 ) PZT-PMnS Pb(Zr,Ti)O 3 – Pb(Mn 1/3 Sb 2/3 ) PZT-PSN-PMnN Pb(Zr,Ti)O 3 – Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 ) – Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 ) PZT-PZN-PMN Pb(Zr,Ti)O 3 – Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 ) – Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 ) PZT-PZN-PMnN Pb(Zr,Ti)O 3 – Pb(Zn 1/3 Nb 2/3 ) – Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 ) T C Nhiệt độ Curie ( o C) T m Nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại ( o C) BX Biến tử áp điện dạng xuyến BG Biến tử áp điện Langevin C s Điện dung của mẫu ER Ergodic relaxor NER Non – ergodic relaxor T B Nhiệt độ Burn T f Nhiệt độ đông cứng HWHM Độ bán rộng của vạch Raman BO Phương pháp trộn các ôxít vị trí B v % kl Phần trăm khối lượng k p Hệ số liên kết điện cơ theo phương bán kính k t Hệ số liên kết điện cơ theo phương bề dày Q m Hệ số phẩm chất cơ học d 31 Hệ số áp điện theo phương ngang P Độ phân cực P r Độ phân cực dư P s Độ phân cực tự phát E Điện trường E C Điện trường kháng t Thừa số xếp chặt Z m Giá trị cực tiểu của tổng trở  Độ nhòe ε Hằng số điện môi  Góc nhiễu xạ tanδ Tổn hao điện môi vi MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6 1.1 Cấu trúc perovskite ABO 3 6 1.2. Đặc trưng sắt điện thông thường 8 1.2.1. Hiện tượng tồn tại phân cực tự phát trong các tinh thể sắt điện 8 1.2.2. Nhiệt độ Curie và sự chuyển pha 10 1.2.3. Đường trễ sắt điện 12 1.2.4. Cấu trúc đômen sắt điện 16 1.3. Đặc trưng sắt điện chuyển pha nhòe 18 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu gốm áp điện trên cơ sở PZT 24 1.4.1. Vật liệu PZT pha tạp đơn 24 1.4.2. Vật liệu PZT pha tạp phức 27 1.5. Phổ tán xạ Raman 31 1.6. Kết luận chương 1 33 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP VẬT LIỆU, CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC CỦA HỆ GỐM PZT – PZN – PMnN 34 2.1. Tổng hợp hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN 34 2.2. Cấu trúc và vi cấu trúc của hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN 41 2.2.1. Cấu trúc và vi cấu trúc của nhóm vật liệu MP 41 2.2.2. Cấu trúc và vi cấu trúc của nhóm vật liệu MZ 44 2.3. Các phương pháp nghiên cứu tính chất của vật liệu 49 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính chất điện môi 49 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất áp điện 51 vii 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất sắt điện 55 2.4. Kết luận chương 2 57 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI, SẮT ĐIỆN VÀ ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN 58 3.1. Tính chất điện môi của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN 59 3.1.1. Hằng số điện môi của các nhóm mẫu MP, MZ ở nhiệt độ phòng 59 3.1.2. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo nhiệt độ 60 3.1.3. Sự phụ thuộc của tính chất điện môi vào tần số của trường ngoài 64 3.2. Tính chất sắt điện của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN 68 3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ PZT và tỷ số Zr/Ti đến tính chất sắt điện của hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN tại nhiệt độ phòng 68 3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất sắt điện của hệ vật liệu PZT – PZN – PMnN 70 3.3. Tính chất áp điện của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN 73 3.4. Kết luận chương 3 79 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA Fe 2 O 3 , CuO ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN 81 4.1. Ảnh hưởng của Fe 2 O 3 đến các tính chất của hệ gốm PZT-PZN-PMnN 81 4.1.1. Ảnh hưởng của Fe 2 O 3 đến cấu trúc, vi cấu trúc của hệ gốm PZT–PZN–PMnN 81 4.1.2. Ảnh hưởng của Fe 2 O 3 đến tính chất điện môi của hệ gốm PZT-PZN-PMnN 84 4.1.3. Ảnh hưởng của Fe 2 O 3 đến tính chất áp điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN 91 4.1.4. Ảnh hưởng của Fe 2 O 3 đến tính chất sắt điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN 94 4.2. Ảnh hưởng của CuO đến hoạt động thiêu kết và các tính chất điện của hệ gốm PZT–PZN–PMnN 96 4.2.1. Ảnh hưởng của CuO đến hoạt động thiêu kết của hệ gốm PZT–PZN–PMnN 96 4.2.2 Ảnh hưởng của CuO đến tính chất điện của hệ gốm PZT  PZN  PMn N 101 viii 4.3. Thử nghiệm chế tạo máy rửa siêu âm trên cơ sở biến tử áp điện PZT-PZN- PMnN 112 4.4. Kết luận chương 4 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 ix DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Bảng 1.1. Giá trị của thừa số xếp chặt t đối với một số hợp chất kiểu perovskite 8 Bảng 2.1. Các kết quả tính toán kích thước hạt, hằng số mạng và mật độ gốm trung bình của nhóm mẫu MP từ việc phân tích SEM và nhiễu xạ Tia X 42 Bảng 2.2. Các kết quả tính toán kích thước hạt, hằng số mạng và mật độ gốm trung bình của nhóm mẫu MZ từ việc phân tích SEM và nhiễu xạ tia X 46 Bảng 2.3. Các hệ số đa thức của (2.14) và (2.15). 54 Bảng 3.1. Các giá trị trung bình của hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan của các nhóm mẫu MP, MZ ở nhiệt độ phòng tại tần số 1kHz 59 Bảng 3.2. Các giá trị của hằng số điện môi cực đại  max , nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại T m và độ nhòe  của các nhóm mẫu MP, MZ đo tại tần số 1kHz 63 Bảng 3.3. Các thông số thu được từ việc làm khớp số liệu với các hệ thức Vogel – Fulcher 68 Bảng 3.4. Các thông số đặc trưng cho tính chất sắt điện của gốm PZT-PZN- PMnN tại nhiệt độ phòng: độ phân cự dư P r , điện trường kháng E C 69 Bảng 3.5. Các thông số đặc trưng cho tính chất sắt điện của gốm PZT-PZN- PMnN theo nhiệt độ: độ phân cự dư P r , điện trường kháng E C 72 x Bảng 3.6. Các giá trị trung bình của hệ số liên kết điện cơ k p , k 31 , k t , hệ số áp điện d 31 và hệ số phẩm chất cơ học Q m của gốm PZT-PZN-PMnN 76 Bảng 3.7. So sánh các tính chất của gốm đã chế tạo với gốm của các công trình khác 79 Bảng 4.1. Các kết quả tính kích thước hạt và mật độ gốm của nhóm mẫu MF từ việc phân tích SEM 83 Bảng 4.2. Các giá trị trung bình của hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan của các mẫu MF ở nhiệt độ phòng tại tần số 1kHz 84 B ảng 4.3. Các giá trị của hằng số điện môi cực đại  max , nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại T m và độ nhòe  của các mẫu MF tại tần số 1kHz 88 Bảng 4.4. Các giá trị trung bình của hệ số liên kết điện cơ k p , k t , k 31 , hệ số áp điện d 31 và hệ số phẩm chất cơ học Q m của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp Fe 2 O 3 92 Bảng 4.5. Các thông số đặc trưng cho tính chất sắt điện của gốm PZT-PZN- PMnN pha tạp Fe 2 O 3 : độ phân cự dư P r , điện trường kháng E C 95 Bảng 4.6. So sánh các tính chất của gốm đã chế tạo với gốm của các công trình khác có cùng loại tạp Fe 2 O 3 95 Bảng 4.7. Mật độ gốm, hằng số điện môi, tổn hao tan, hệ số k p của mẫu M0- 1150 97 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 104 [...]... một đề tài nghiên cứu khoa học cơ bản có định hướng ứng dụng, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án thể hiện ở các nội dung sau: 4 (1) Các nghiên cứu có tính hệ thống về các tính chất điện môi, sắt điện, áp điện sẽ đóng góp thêm những hiểu biết về các tính chất vật lý của các vật liệu gốm sắt điện đa thành phần trên cơ sở PZT và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe: Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 và Pb(Mn1/3Nb2/3)O3... liệu sắt điện chuyển pha nhòe Trên cơ sở phương pháp công nghệ gốm truyền thống kết hợp với phương pháp trộn các ô xít vị trí B (BO), chúng tôi tiến hành chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở PZT và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 (PZN) và Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 (PMnN) với các nội dung sau: a) Chế tạo và nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ Pb(Zr0,47Ti0,53)O3... Pb(Zr0,47Ti0,53)O3 (PZT) đến cấu trúc, vi cấu trúc và các tính chất vật lý của hệ: xPb(Zr0,47Ti0,53)O3 – (0,925-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – 0,075Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 b) Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số Zr/Ti trong PZT đến cấu trúc và các tính chất của hệ PZT- PZN-PMnN, xác định thành phần vật liệu có các tính chất tối ưu và các đặc trưng chuyển pha nhòe của vật liệu c) Nghiên cứu các tính chất vật lý của hệ PZT- PZN-PMnN pha tạp... thống và tạo ra được một vật liệu đồng nhất được thiêu kết ở nhiệt độ thấp [5], [13], [16], [23], [44], [75], [80] Như vậy, hệ gốm PZT – PZN – PMnN là đối tượng nghiên cứu mới đầy hấp dẫn trên phương diện nghiên cứu cơ bản lẫn nghiên cứu ứng dụng Từ thực tế trên, chúng tôi lựa chọn đề tài luận án là Nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở PZT và các vật liệu sắt điện. .. chính của luận án sẽ được trình bày trong bốn chương: Chương 1 - Tổng quan lý thuyết về các vấn đề nghiên cứu; Chương 2 - Tổng hợp vật liệu, cấu trúc và vi cấu trúc của hệ gốm PZT – PZN – PMnN; Chương 3 - Nghiên cứu tính chất điện môi, sắt điện và áp điện của hệ gốm PZT – PZN – PMnN; Chương 4 - Các nghiên cứu ảnh hưởng của Fe2O3, CuO đến các tính chất của hệ gốm PZT – PZN – PMnN Bản luận án chắc chắn... d) Nghiên cứu vai trò của CuO đến hoạt động thiêu kết và các tính chất vật lý của hệ PZT- PZN-PMnN Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng chính được chọn để nghiên cứu trong luận án này là hệ gốm đa thành phần PZT- PZN-PMnN và PZT- PZN- PMnN pha tạp (CuO và Fe2O3) Đây là các vật liệu được chúng tôi chế tạo tại phòng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thực nghiệm; - Để đạt được những mục tiêu trên, ... dung luận án sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho những ai quan tâm nghiên cứu về lĩnh vực này (2) Các kết quả đạt được của luận án sẽ mở ra triển vọng về việc chế tạo các vật liệu gốm điện tử ở nước ta hiện nay, đặc biệt tính khả thi trong ứng dụng vật liệu gốm đã chế tạo cho lĩnh vực siêu âm công suất Bố cục của luận án: Ngoài các phần mở đầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận. .. học Qm của gốm PZT- PZN-PMnN pha tạp CuO 108 Bảng 4.12 Các thông số đặc trưng cho tính chất sắt điện của gốm PZT- PZNPMnN pha tạp CuO: độ phân cự dư Pr, điện trường kháng EC 110 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 111 Bảng 4.14 Các đặc trưng cộng hưởng của biến tử xuyến 113 xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ô cơ sở perovskite... dàng bay hơi trong quá trình thiêu kết làm giảm tính chất của gốm và ảnh hưởng đến môi trường Hiện nay việc nghiên cứu chế tạo gốm thiêu kết ở nhiệt độ thấp, đồng thời nâng cao hoặc không làm giảm các tính chất điện môi, áp điện của hệ gốm đang là mối quan tâm của các nhà chế tạo vật liệu gốm trong nước và trên thế giới, đây là vấn đề có tính thời sự và cấp thiết Có nhiều phương pháp đã được thực hiện... vật liệu sắt điện relaxor (relaxor ferroelectric) Các đặc trưng của vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe là hằng số điện môi lớn, vùng dịch chuyển pha sắt điện- thuận điện mở rộng trong một khoảng nhiệt độ nên thường được gọi là chuyển pha nhòe (diffuse phase transition, DPT) Các tính chất điện môi phụ thuộc mạnh vào tần số của trường ngoài, tức có sự hồi phục điện môi (dielectric relaxation) Ngoài ra ở trên . đômen sắt điện 16 1.3. Đặc trưng sắt điện chuyển pha nhòe 18 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu gốm áp điện trên cơ sở PZT 24 1.4.1. Vật liệu PZT pha tạp đơn 24 1.4.2. Vật liệu PZT pha tạp. Kết luận chương 2 57 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI, SẮT ĐIỆN VÀ ÁP ĐIỆN CỦA HỆ GỐM PZT- PZN-PMnN 58 3.1. Tính chất điện môi của hệ vật liệu PZT- PZN-PMnN 59 3.1.1. Hằng số điện. nghiên cứu tính chất của vật liệu 49 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tính chất điện môi 49 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu tính chất áp điện 51 vii 2.3.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất sắt điện
- Xem thêm -

Xem thêm: luận án tiến sỹ nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở pzt và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe, luận án tiến sỹ nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở pzt và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe, luận án tiến sỹ nghiên cứu chế tạo và các tính chất vật lý của hệ gốm đa thành phần trên cơ sở pzt và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn