Luận án 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

Tên luận án:

Nghiên cứu vật liệu gốm áp điện PZT-PMnN và PZT-PMnN pha tạp La

Ngành:

Khoa học Vật liệu

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung nghiên cứu sâu rộng về vật liệu gốm áp điện, đặc biệt là hệ vật liệu [(1-x)Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 - xPb(Mn1/3Nb2/3)O3], viết tắt là PZT-PMnN, và biến thể pha tạp La của nó. Vật liệu sắt điện và áp điện có nhiều ứng dụng thực tiễn trong khoa học công nghệ.

Ý nghĩa khoa học của luận án bao gồm việc khẳng định phương pháp co-lumbit là giải pháp hữu hiệu để chế tạo vật liệu gốm pe-rov-skit phức hợp không có pha py-ro-clo, đảm bảo độ đồng nhất cao và tính lặp lại tốt. Nghiên cứu cũng phân tích sự tồn tại đồng thời và ảnh hưởng của các tạp Mn, Nb, La đến tính chất sắt điện và áp điện, cũng như tác động của La thay thế Pb tại vị trí A trong hệ PZT-PMnN có thành phần cận biên pha. Mục tiêu nghiên cứu cơ bản là chế tạo và khảo sát các dung dịch rắn PZT-PMnN và PZT-PMnN pha tạp La với độ ổn định thành phần và tính áp điện tốt, đồng thời xác định mối quan hệ giữa cấu trúc, vi cấu trúc với các thông số áp điện và điện môi. Về ứng dụng, luận án hướng đến phát triển hệ gốm áp điện mới để chế tạo biến tử siêu âm công suất và mẫu bể rửa siêu âm.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm chế tạo gốm bằng thiêu kết pha rắn từ ô-xít, sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) và ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) để nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc, cùng các hệ đo tự động hóa (RT-66A, HIOKI 3532, HP 4192A, Agilent 4396B) để đánh giá tính chất sắt điện, điện môi và áp điện của vật liệu.

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu PZT-PMnN đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp co-lumbit ở 1150°C trong 2 giờ 15 phút, đạt khối lượng riêng cao (>95% lý thuyết) và cấu trúc đơn pha pe-rov-skit. Các phân tích chỉ ra rằng bản chất vật liệu là PZT pha tạp đồng thời Mn và Nb với tỷ lệ 1:2, với tính chất sắt điện và áp điện tối ưu ở thành phần 7% mol PMnN do tác động phối hợp của các tạp này. Sự pha tạp La (từ 1% đến 6% mol) trong PZT-PMnN giúp giảm nhiệt độ và thời gian thiêu kết, cải thiện chất lượng gốm, mang lại độ phẩm chất cơ Qm cao và hệ số liên kết điện cơ lớn, phù hợp cho ứng dụng công suất. Tuy nhiên, việc tăng hàm lượng La làm giảm nhanh chóng nhiệt độ chuyển pha của vật liệu từ trên 300°C xuống khoảng 200°C (với 6% mol La), hạn chế vùng nhiệt độ làm việc ổn định của vật liệu pha tạp La dưới 100°C trong các ứng dụng công suất.

Luận án cũng đã chế tạo thành công máy rửa siêu âm sử dụng biến tử từ vật liệu nghiên cứu, với tần số làm việc 33,20 kHz và công suất khoảng 100W. Sóng siêu âm còn được ứng dụng hiệu quả trong chế tạo vật liệu kích thước na-nô mét, như ZrTiO4 ở 400°C và PZT từ vật liệu na-nô ở 850°C.