Luận án Chế tạo, nghiên cứu các tính chất vật lý của hệ gốm áp điện trên cơ sở BaTiO3 và ứng dụng

Tên luận án:

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỆ GỐM ÁP ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ BaTiO3 VÀ ỨNG DỤNG

Ngành:

Vật lý chất rắn

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung vào việc chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của hệ gốm áp điện không chì trên cơ sở BaTiO3 cùng với các ứng dụng tiềm năng. Công trình này được thực hiện trong bối cảnh các nghiên cứu về BaTiO3 đã sôi động trở lại từ năm 2009, sau khi phát hiện các vật liệu không chì có tính chất áp điện vượt trội so với PZT truyền thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu chính là làm chủ công nghệ tổng hợp vật liệu BaTiO3 có cấu trúc nano và kỹ thuật thiêu kết hai bước nhằm chế tạo gốm áp điện không chì ở nhiệt độ thấp, đồng thời nâng cao các hệ số áp điện để ứng dụng. Luận án đã đạt được bốn điểm mới đáng chú ý. Thứ nhất, quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu BaTiO3 nano bằng phương pháp thủy nhiệt đã được xây dựng và chế tạo thành công, thu được các hạt nano BaTiO3 hình cầu phân tán cao với kích thước trung bình 100 nm dưới điều kiện tối ưu là 200 °C, 12 giờ và tỷ lệ mol Ba/Ti = 1,5.

Thứ hai, hệ gốm áp điện BaTiO3 được tổng hợp thành công từ các hạt nano BaTiO3 thông qua phương pháp thiêu kết thường. Nghiên cứu chỉ ra rằng gốm thiêu kết ở 1300 °C cho các thông số áp điện vượt trội (d33 = 300 pC/N, d31 = -150 pC/N), tốt hơn so với vật liệu kích thước micromet và thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn.

Thứ ba, phương pháp thiêu kết hai bước đã được áp dụng thành công để tổng hợp hệ gốm BaTiO3, góp phần nâng cao đáng kể các tính chất cơ điện của gốm khi sử dụng vật liệu nano. Thành phần tối ưu (T1 = 1350 °C và T2 = 1200 °C) mang lại tính chất áp điện tốt nhất (d33 = 470 pC/N, d31 = -200 pC/N, d15 = 400 pC/N), với hiệu suất áp điện cao hơn 1,56 lần so với phương pháp thông thường. Các thông số điện, cơ cần thiết cho mô phỏng cũng được xác định đầy đủ.

Cuối cùng, luận án đã chế tạo thành công biến tử thủy âm kiểu Bimorph hỗn hợp trên cơ sở gốm BaTiO3 tổng hợp từ vật liệu nano. Biến tử này thể hiện độ nhạy cao hơn và hoạt động ở tần số thấp hơn đáng kể so với biến tử tự do. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Comsol Multiphysics về đặc trưng cộng hưởng và âm học cho thấy sự phù hợp tốt với thực nghiệm, khẳng định tiềm năng của vật liệu áp điện không chì đã chế tạo trong việc phát triển các biến tử thủy âm và mảng biến tử thủy âm trong tương lai.

Mục lục chi tiết:

• Chương 1. Tổng quan về vật liệu trên cơ sở BaTiO3.
• Chương 2. Thực nghiệm tổng hợp hệ vật liệu áp điện BaTiO3 và các phương pháp nghiên cứu.
• Chương 3. Nghiên cứu tính chất vật lý của hệ vật liệu trên cơ sở BaTiO3.
• Chương 4. Nghiên cứu, chế tạo biến tử Bimorph hỗn hợp ứng dụng trong thủy âm.