Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc tính hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp và ứng dụng chế tạo biến tử siêu âm gốm áp điện công suất cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ VẬT

LIỆU ÁP ĐIỆN PZT PHA TẠP VÀ ỨNG DỤNG CHẾ TẠO BIẾN

TỬ SIÊU ÂM GỐM ÁP ĐIỆN CÔNG SUẤT CAO

Mã số: B2017-ĐN06-06

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Văn Thịnh

Đà Nẵng, 5/2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH HỆ VẬT

LIỆU ÁP ĐIỆN PZT PHA TẠP VÀ ỨNG DỤNG CHẾ TẠO BIẾN

TỬ SIÊU ÂM GỐM ÁP ĐIỆN CÔNG SUẤT CAO

Mã số: B2017-ĐN06-06

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

Chủ nhiệm đề tài

ThS. Nguyễn Văn Thịnh

Đà Nẵng, 5/2019

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

Chủ nhiệm đề tài:

ThS. Nguyễn Văn Thịnh – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật, ĐHĐN.

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc tính hệ vật liệu

áp điện PZT pha tạp và ứng dụng chế tạo biến tử siêu âm gốm áp điện

công suất cao

- Mã số: B2017-ĐN06-06

- Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Văn Thịnh

- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật

- Thời gian thực hiện: từ 6/2017 đến 05 /2019.

2. Mục tiêu:

- Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT

pha tạp

- Nghiên cứu chế tạo, phân tích đặc tính hệ vật liệu áp điện cứng

- Mô phỏng hoạt động của biến tử Langevin

- Thiết kế, chế tạo biến tử siêu âm công suất cao

- Làm chủ công nghệ, triễn khai ứng dụng.

3. Tính mới và sáng tạo:

- Nghiên cứu xây dựng thành công quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu

áp điện PZT pha tạp.

- Tổng hợp, phân tích đánh giá đặc tính của hệ vật liệu áp điện cứng có

công thức: Pb_0,96Sr_0,04(Zr_0,53Ti_{0,47 0,996}O₃+ 0,4% mol MnO₂( PSZTM)

)

- Mô phỏng xác định tần số cộng hưởng, tính chất của trường âm trong

biến tử và môi trường.

- Thiết kế, chế tạo biến tử siêu âm công suất cao.

4. Kết quả nghiên cứu:

- Đã nghiên cứu xây dựng thành công quy trình công nghệ tổng hợp vật

liệu áp điện PZT pha tạp

- Đã tổng hợp, phân tích đánh giá các đặc tính của hệ vật liệu có công

thức: Pb_0,96Sr_0,04(Zr_0,53Ti_{0,47 0,996}O₃+ 0,4% mol MnO₂( PSZTM)

)

- Đã mô phỏng xác định tần số cộng hưởng, tính chất của trường âm trong

biến tử và môi trường

- Đã thiết kế, chế tạo biến tử siêu âm công suất cao.

5. Sản phẩm:

5.1. Sản phẩm khoa học:

Bài báo đăng tạp chí trong nước:

Nghiên cứu xây dụng quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp

điện PZT pha tạp. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đai học Đà Nẵng. Tác

giả: Nguyễn Văn Thịnh. Đại học Đà Nẵng. Số: 11(120)2017. Trang:

113-117. 2017.

5.2. Sản phẩm đào tạo:

- Hỗ trợ NCS

5.3. Sản phẩm ứng dụng

- Quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp và chế tạo

biến tử siêu âm công suất cao.

- Biến tử siêu âm công suất cao

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi

ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

- Quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp.

- Biến tử siêu âm công suất cao để chế tạo máy siêu âm công suất kiểu hội

tụ ứng dụng cho khoa Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Sư pham Kỹ

thuật.

Tổ chức chủ trì

Ngày 10 tháng 6 năm 2019

Chủ nhiệm đề tài

ThS. Nguyễn Văn Thịnh

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:

- Project title: Researching to synthesize, analyze the doped PZT

piezoelectric material characteristic and manufacture the high power

piezoelectric ceramic ultrasonic transducer

- Code number: B2017-ĐN06-06

- Coordinator: M.S. Nguyễn Văn Thịnh

- Implementing institution: The University of Danang

- Duration: from 06/2017 to 05/2019

2. Objective:

- Researching to build the doped PZT piezoelectric material synthesizing

technology process,

- Researching to manufacture and analyze the hard piezoelectric material

characteristic,

- Simulating the Langevin transducer operation,

- Designing and manufacturing the high power ultrasonic transducer.

3. Creativeness and innovativeness:

- Building successfully the doped PZT piezoelectric material synthesizing

technology process,

- Synthesizing, analyzing and evaluating the hard piezoelectric material

characteristic with formula: Pb_0.96Sr_0.04(Zr_0.53Ti_{0.47 0.996}

MnO₂(PSZTM)

Simulating determinant the resonant frequency, the sound field property

)

O₃+ 0.4% mol

-

in the transducer and environment,

- Designing and manufacturing the high power ultrasonic transducer.

4. Research results:

- Building successfully the PZT piezoelectric material synthesizing

process,

- Synthesizing, analyzing and evaluating the hard piezoelectric material

characteristic with formula: Pb_0.96Sr_0.04(Zr_0.53Ti_{0.47 0.996}

)

O₃+ 0.4% mol

MnO₂(PSZTM)

- Simulating determinant the resonant frequency, the sound field property

in the transducer and environment,

- Designing and manufacturing the high power ultrasonic transducer.

5. Products:

5.1. Scientific publications

01 paper in the journal science and technology, the University of

Danang:

Nghiên cứu xây dụng quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện

PZT pha tạp, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đai học Đà Nẵng. Tác giả:

Nguyễn Văn Thịnh. Đại học Đà Nẵng. Số: 11(120)2017. Trang: 113-117.

2017.

5.2. Training

Support for PhD students

5.3. Application products

- The technology process to synthesize the doped PZT piezoelectric

material and manufacture the high power ultrasonic transducer.

- The high power ultrasonic transducer

6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and

benefits of research results:

- The doped PZT piezoelectric synthesis technology process

- The High power ultrasonic transducer to manufacture the focus power

ultrasound machine applying for Chemical Technology department, The

University of Technology and Education, The University of Danang.

1

MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Khoa học vật liệu là lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp, phân tích đặc

tính và ứng dụng vật liệu mới, đặc biệt là vật liệu áp điện có những tính

năng, ứng dụng vượt trội, đang được nhiều nhà khoa học trên thế quan

tâm nghiên cứu, ứng dụng. Một cách nhìn tổng quan cho thấy vật liệu

gốm áp điện là cơ sơ cho việc chế tạo các phần tử chuyển đổi năng lượng

điện – cơ, cơ – điện, trong đó điển hình là biến tử siêu âm gốm áp điện,

cũng từ đây để phát triển lĩnh vực siêu âm và ứng dụng.

2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo gốm áp điện.

- Tổng hợp được hệ vật liệu áp điện PZT pha tạp.

- Phân tích được cấu trúc, vi cấu trúc của vật liệu bằng phương pháp

SEM, XRD.

- Xác định được tính chất, các thông số của vật liệu theo chuẩn quốc tế

IRE-61 và IRE-87 bằng hệ đo HIOKI 3532 tự động hoá

- Nghiên cứu xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo biến tử siêu

âm.

- Chế tạo được biến tử siêu âm công suất cao.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1. Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu áp điện

- Biến tử siêu âm công suất.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

- Quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện PZT pha tạp

- Thiết kế chế tạo biến tử siêu âm công suất

4. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1. Cách tiếp cận.

- Nghiên cứu vật liệu gốm áp điện.

- Nghiên cứu các phương pháp, quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp

điện

- Nghiên cứu biến tử siêu âm gốm áp điện.

2

- Nghiên cứu các phương pháp, quy trình công nghệ chế tạo biến tử siêu

âm công suất.

4.2. Phương pháp nghiên cứu

- Áp dụng cơ sở các phương pháp nghiên cứu chất rắn.

- Nghiên cứu lý thuyết và triển khai tổng hợp vật liệu.

- Nghiên cứu tính chất vật liệu, ứng dụng các hệ đo để đo các thống số

đặc trưng.

- Nghiên cứu các loại biến tử siêu âm, trong đó tập trung vào siêu âm

công suất.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

5.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài.

- Đề tài là một công trình nghiên cứu cơ bản về khoa học vật liệu, làm

chủ được quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu áp điện.

- Triển khai kết quả nghiên cứu cơ bản thiết kế chế tạo ứng dụng vào kỹ

thuật thủy âm - siêu âm.

5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.

- Báo cáo tổng kết đề tài là tài liệu tham khảo về vật liệu áp điện, kỹ

thuật thủy âm – siêu âm và ứng dụng.

- Sản phẩm của đề tài tiếp tục triển khai chế tạo máy siêu âm công suất.

6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung của đề tài bao gồm 4 chương.

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về vật liệu áp điện pha tạp.

Chương 2: Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ chế tạo gốm áp

điện PZT pha tạp.

Chương 3: Mô phỏng hoạt động của biến tử Langevin bằng phần mềm

COMSOL Multiphysics.

Chương 4: Chế tạo biến tử siêu âm công suất cao.

3

CHƯƠNG 1

CƠ SƠ LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN PHA TẠP

1.1 . Cấu trúc perovskite của vật liệu áp điện ABO₃.

Perovskite là tên gọi của khoáng vật có cấu trúc lập phương CaTiO₃.

Hầu hết các loại gốm áp điện được sử dụng rộng rãi hiện nay như

BaTiO₃(BT), PbTiO₃(PT), PbZr_1-xTi_xO₃(PZT), [Pb_1-yLa_y][Zr_1-xTi_x]O₃

(PLZT), KTa_xNb_1-xO₃(KTN)…đều có cấu trúc perovskite. Các oxit phức

này có công thức tổng quát là ABO₃, trong đó A là các cation (hóa trị 1,

2 hoặc 3) có bán kính ion lớn, B là các cation (hóa trị 5, 4 hoặc 3 tương

ứng) có bán kính ion nhỏ hơn và O là oxy. Các chất sắt điện có cấu trúc

2-

perovskite đã được tìm thấy đều có công thức dạng A²⁺B⁴⁺O₃hoặc

2-

A¹⁺B⁵⁺O₃, tuy nhiên chưa phát hiện được tính sắt điện trong các hợp

2-

chất dạng A³⁺B³⁺O₃.

Cấu trúc perovskite thực chất là một mạng 3 chiều của các bát diện

BO_6-, tuy nhiên chúng ta cũng có thể mô tả chúng gồm những hình lập

phương xếp chặt của các ion A và O, ion B nằm ở tâm bát diện

Hình 1.1. Cấu trúc perovskit ABO₃

1.2. Phân cực tự phát trong các tinh thể áp điện

1.3. Gốm áp điện trên cơ sở PZT

Hình 1.3 là giản đố pha biểu diễn phụ thuộc nhiệt độ Curie T_Ctheo

tỷ lệ thành phần khối lượng Zr/Ti, với trục hoành là tỷ lệ khối lượng của

PbZrO₃và PbTiO₃phía trái giàu Zr, phái phải giàu Ti. Biên pha phân

chia vùng sắt điện thành hai miền: pha sắt điện có cấu trúc tứ giác (phía

4

giàu Ti) và pha sắt điện có cấu trúc mặt thoi (phía giàu Zr) được gọi là

biên pha hình thái học. Ở nhiệt độ phòng, biên pha nằm tại điểm có Zr/Ti

= 53/47, điều đáng chú ý tại biên pha gần như thẳng đứng cho thấy nhiệt

độ T_Ckhông thay đổi và giá trị cao nhất khoảng 365^OC. Tất cả các công

trình nghiên cứu từ trước đến nay đều cho rằng, vật liệu PZT với thành

phần tại cận biên pha hình thái học (53/47) cả hai pha tứ giác và mặt thoi

cùng tồn tại.

Hình 1.3. Giản đồ pha của dung dịch rắn PZT

1.4. Gốm áp điện trên cơ sở PZT pha tạp

1.4.1. Pha tạp bằng cách thay thế tương đương.

1.4.2. Pha tạp bằng cách thay thế không tương đương.

Pha tạp mềm: Hình 1.4. Pha tạp mềm trong gốm PZT

Pha tạp cứng: Hình 1.5. Pha tạp cứng trong gốm PZT.

1.5. Nhiệt độ Curie và sự chuyển pha

1.6. Đường trễ sắt điện của gốm áp điện PZT

1.7. Cấu trúc Đô-men sắt điện

1.8. Xác định các thông số áp điện theo chuẩn IRE-61

1.8.1. Xác định tần số cộng hưởng

1.8.2. Đo trên mẫu dạng đĩa với kiểu dao động radial

1.8.3. Đo trên mẫu dạng thanh hay hình trụ rỗng mỏng

1.8.4. Đo trên bản dao động theo chiều dày

5

1.8.5. Hệ số phẩm chất Qm

Kết luận Chương 1

Từ nghiên cứu tổng quan về lý thuyết tổng quan đã đưa ra được

các vấn đề cơ bản về vật liệu áp điện PZT, phương pháp pha tạp cứng và

mềm cho vật liệu nền PZT. Phương pháp đo các thông số đặc trưng của

gốm áp điện theo chuẩn IRE-61 và IRE- 87.

CHƯƠNG 2

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG

NGHỆ CHẾ TẠO GỐM ÁP ĐIỆN PZT PHA TẠP

2.1. Quy trình công nghệ tổng hợp gốm áp điện PZT pha tạp

Hình 2.1. Các công đoạn của quy trình tổng hợp gốm áp điện PZT

2.2. Ứng dụng quy trình công nghệ chế tạo vật liệu áp điện.

Trong nghiên cứu này chúng tôi chế tạo, phân tích tính chất hệ vật

liệu có công thức với thành phần Pb_0,96Sr_0,04(Zr_0,53Ti_{0,47 0,996}O₃+ 0,4%

)

mol MnO₂. Trong đó, vật liệu nền PZT chọn tỷ lệ thành phần theo khối

lượng Zr/Ti = 53/47 lân cận biên pha hình thái học. Vật liệu được cứng

hóa bằng cách pha tạp đẳng trị Sr và tạp cứng Mn vào nền PZT.

6

2.3. Tính chất điện môi, sắt điện

Hình 2.2. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ

2.4. Tính chất áp điện

Hình 2.4. Phổ dao động cộng hưởng theo phương bán kính

7

Hình 2.5. Phổ dao động cộng hưởng theo phương chiều dày

2.5. Cấu trúc

Cấu trúc vật liệu được khảo sát bằng phương pháp đo phổ nhiễu xạ

tia X trên thiết bị D8 ADVANCE –Bruker.

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - M2

400

300

200

100

0

20

30

40

50

60

70

8

2-Theta - Scale

File: ThinhHue M2.raw

1) Left Angle: 29.750

-

Type: 2Th/Th locked

-

Step: 0.030

°

-

Step time: 0.3

s

-

Anode: Cu

-

WL1: 1.5406

Max Int.: 291 Cps

by: 1. WL: 1.5406

-

Generator kV: 40 kV

-

Generator mA: 40 mA

-

Creation: 20/06/2017 3:32:42 PM

RawArea: 125.9 Cps deg. Net Area: 115.3 Cps

4.11000 alpha 90.000 beta 90.000 gamma 90.000

°

-

Right Angle: 32.780

°

-

Obs. Max: 30.997

°

-

d

(Obs. Max): 2.883

Y: 54.87

-

Net Height: 287 Cps

-

FWHM: 0.325

4.05500

°

-

x

-

x

deg.

Primitive - P4m

01-070-4060 (C)

-

Lead Zirconium Titanium Oxide

-

Pb(Zr0.52Ti0.48)O3

-

%

-

d

x

-

Tetragonal 4.05500

-

a

-

b

-

c

-

Hình 2.6. Phổ nhiễu xạ tia X

2.6. Vi cấu trúc

Vi cấu trúc được khảo sát bằng phương pháp chụp ảnh SEM trên

thiết bị S4800 – NIHE.

8

Hình 2.7. Ảnh SEM chụp ở các chế độ phóng đại khác nhau

Hình 2.8. Ảnh SEM chụp ở các chế độ phóng đại cao

2.7.So sánh kết quả gốm PSZTM với gốm PZT – 4 của

Hãng Morgan Mỹ.

Bảng 2.1. Một số thông số vật lý của gốm PSZTM và PZT – 4

d₃₃

T_c

E_c

P_r

ꢀ

Loại gốm k_P

Q_m

(⁰C) (kV/cm) (μC/cm²)

(g/cm³)

(pC/N)

PZT- 4 0.56 307 575 355

PSZTM 0.58 330 527 342

7.2

6.8

25

7.70

23.5

7.66

Kết luận Chương 2

Trên cơ sở lý thuyết về vật liệu áp điện cứng PZT pha tạp đã

chọn được công thức vật liệu, với quy trình công nghệ đã đề xuất. Kết

quả đã chế tạo thành công hệ gốm áp điện có các thông số cao, phù hợp

cho việc chế tạo biến tử siêu âm công suất.

9

CHƯƠNG 3

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN LAGENVIN

BẰNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSIS

3.1. Phân tích đặc trưng cộng hưởng áp điện bằng phương pháp

phần tử hữu hạn.

3.1.1. Các phương trình liên tục đối với môi trường áp điện.

3.1.2. Các phương trình động học.

3.2. Phân tích trạng thái dao động của biến tử Lagenvin bằng

phần mềm Comsol Multiphysis.

3.2.1. Các thông số của biến tử áp điện hình xuyến.

Hình 3.1. Mô hình biến tử áp điện hình xuyến

3.2.2. Trạng thái dao động của biến tử áp điện tại các tần số

riêng khác nhau.

Hình 3.3. Trạng thái dao động của biến tử tại tần số 16,855 kHz

10

Hình 3.4. Trạng thái dao động của biến tử tại tần số 27,5 kHz

Hình 3.5. Trạng thái dao động của biến tử tại tần số 39,99 kHz

Hình 3.6. Trạng thái dao động của biến tử tại tần số 44,334 kHz

11

3.2.3. Phổ cộng hưởng của bản gốm theo tần số.

Hình 3.8. Phổ cộng hưởng của biến tử áp điện

Hình 3.9. Độ biến dạng cơ học cực đại của biến tử theo tần số

3.3. Mô phỏng hoạt động của biến tử Langevin.

3.3.1. Biến tử áp điện kép Langevin

3.3.2. Độ dịch chuyển của biến tử siêu âm tại các tần số khác

nhau.

12

Hình 3.12. Độ dịch chuyển của biến tử tại tần số 20 kH

Hình 3.13. Độ dịch chuyển của biến tử tại tần số 30 kHz

Hình 3.14. Độ dịch chuyển của biến tử tại tần số 40 kHz

Hình 3.15. Độ dịch chuyển của biến tử tại tần số 50 kHz

13

3.4. Trường âm bức xạ trong vùng nước mặt trước của biến

tử tại các tần số khác nhau.

3.4.1. Mô hình khảo sát trường âm.

Hình 3.16. Mô hình 3D khảo sát trường âm bức xạ trước biến tử

Hình 3.18. Mô hình 3D chia lưới khảo sát trường âm bức xạ mặt

trước biến tử

3.4.2. Khảo sát trường áp suất âm trong vùng nước trước biến

tử tại các tần số khác nhau.