Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu gốm áp điện không chứa chì đang trở thành hướng nghiên cứu trọng điểm trong lĩnh vực vật lý chất rắn do tính thân thiện với môi trường và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và y sinh. Theo ước tính, các vật liệu áp điện truyền thống như PZT chứa hơn 60% chì, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Do đó, việc phát triển các hệ gốm áp điện không chì có phẩm chất áp điện cao, nhiệt độ Curie lớn và ổn định nhiệt là mục tiêu cấp thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu hệ gốm (1–x)(K0,48Na0,48Li0,04)(Nb0,95Sb0,05)O3–xBi0,5(Na0,82K0,18)0,5ZrO3 (gọi tắt là (1–x)KNLSN–xBNKZ) nhằm cải thiện các đặc trưng điện môi, sắt điện và áp điện của vật liệu trên nền KNN thân thiện môi trường.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu gốm với nồng độ BNKZ thay đổi từ 0 đến 0,1, được chế tạo bằng công nghệ gốm truyền thống và khảo sát các đặc tính điện ở nhiệt độ phòng và trong khoảng nhiệt độ 30–450 °C. Mục tiêu cụ thể là xác định ảnh hưởng của nồng độ BNKZ đến cấu trúc tinh thể, vi cấu trúc, mật độ gốm, hằng số điện môi, tổn hao điện môi, tính chất sắt điện và áp điện nhằm tìm ra thành phần tối ưu cho ứng dụng thực tế. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu áp điện không chì thay thế PZT, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu suất thiết bị áp điện trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết vật lý chất rắn liên quan đến tính chất sắt điện và áp điện của vật liệu gốm perovskite ABO3. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết sắt điện: Mô tả hiện tượng phân cực tự phát trong vật liệu sắt điện, đặc trưng bởi đường cong điện trễ P–E với các đại lượng phân cực bão hòa (Ps), phân cực dư (Pr) và điện trường kháng (Ec). Sự chuyển pha giữa các pha sắt điện và thuận điện được xác định qua nhiệt độ Curie (Tc) và các điểm chuyển pha đa hình như TO–T (trực thoi–tứ giác) và TR–O (mặt thoi–trực thoi).

  • Lý thuyết cấu trúc perovskite: Cấu trúc ABO3 với ion A và B chiếm các vị trí khác nhau trong ô đơn vị, ảnh hưởng đến tính chất điện môi và áp điện. Sự pha tạp ion tại vị trí A hoặc B làm thay đổi cấu trúc tinh thể, tạo ra các pha hỗn hợp (tứ giác, mặt thoi) và biên pha hình thái học (MPB) giúp tăng cường tính chất áp điện.

Các khái niệm chính bao gồm: hằng số điện môi (ε), tổn hao điện môi (tgδ), hệ số áp điện d33, hệ số liên kết điện cơ kp, nhiệt độ Curie Tc, chuyển pha đa hình TO–T, TR–O, và sắt điện relaxor.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các mẫu gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ được chế tạo tại phòng Vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế. Cỡ mẫu gồm 6 thành phần với nồng độ BNKZ x = 0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1. Mẫu được chế tạo bằng công nghệ gốm truyền thống qua các bước cân trộn phối liệu, siêu âm, nghiền bi, ép nung sơ bộ, nghiền mịn, thiêu kết ở 1110 °C, gia công bề mặt và phủ điện cực bạc.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha và biến đổi cấu trúc theo nồng độ BNKZ.

  • Quan sát vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để đánh giá kích thước hạt và độ đồng đều.

  • Đo mật độ gốm bằng phương pháp Archimedes với ethanol làm môi trường.

  • Đo tính chất điện môi và áp điện: Hằng số điện môi và tổn hao điện môi được đo bằng thiết bị LCR Hioki 3532 ở tần số 10 kHz trong khoảng nhiệt độ 30–450 °C. Đường cong điện trễ P–E và các thông số sắt điện được khảo sát ở nhiệt độ phòng.

Phương pháp chọn mẫu và phân tích được thiết kế nhằm đảm bảo độ chính xác cao, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu cải thiện tính chất điện của hệ gốm không chì.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ BNKZ đến cấu trúc và mật độ gốm:

    • Cấu trúc tinh thể chuyển từ trực thoi (x=0) sang tứ giác (x=0,02), pha hỗn hợp tứ giác–mặt thoi (x=0,04) và mặt thoi (x≥0,06).
    • Mật độ gốm tăng lên tối đa 4,30 g/cm³ tại x=0,04, sau đó giảm khi tăng nồng độ BNKZ.
    • Kích thước hạt giảm từ khoảng 1,5–2 μm (x ≤ 0,02) xuống còn 0,2 μm (x=0,1), đồng thời số lượng lỗ xốp tăng khi x > 0,06.

  2. Tính chất điện môi tại nhiệt độ phòng:

    • Hằng số điện môi ε tăng theo nồng độ BNKZ, đạt giá trị cao nhất tại x=0,04.
    • Tổn hao điện môi tgδ giảm xuống mức thấp nhất 0,006 tại x=0,04, sau đó tăng trở lại với nồng độ cao hơn.

  3. Phụ thuộc nhiệt độ của tính chất điện môi:

    • Các mẫu với x ≤ 0,04 có hai đỉnh chuyển pha rõ ràng: TO–T (giảm từ 88 °C xuống 59 °C khi x tăng) và Tc (giảm từ 290 °C xuống 110 °C khi x tăng).
    • Mẫu với x ≥ 0,06 chỉ còn đỉnh Tc, đỉnh TO–T biến mất, phù hợp với sự biến đổi pha sang mặt thoi.

  4. Tính chất sắt điện và áp điện:

    • Đường cong điện trễ P–E cho thấy phân cực bão hòa Ps, phân cực dư Pr và điện trường kháng Ec giảm khi tăng nồng độ BNKZ.
    • Hệ số áp điện d33 đạt giá trị cao nhất 460 pC/N tại x=0,04, vượt trội so với các hệ KNN khác và tương đương với PZT.
    • Hệ số liên kết điện cơ kp dao động trong khoảng 0,35–0,45 tương ứng với nồng độ BNKZ từ 0,01 đến 0,06.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi cấu trúc tinh thể theo nồng độ BNKZ từ trực thoi sang tứ giác và mặt thoi tạo ra biên pha hình thái học (MPB) tại x=0,04, là nguyên nhân chính làm tăng mật độ gốm và cải thiện tính chất áp điện. Kích thước hạt nhỏ và vi cấu trúc đồng đều giúp giảm lỗ xốp, nâng cao mật độ và tính chất điện môi. Sự giảm tổn hao điện môi tại x=0,04 cho thấy sự cải thiện chất lượng mẫu, giảm các khiếm khuyết và mất mát năng lượng.

Nhiệt độ chuyển pha TO–T và Tc giảm khi tăng BNKZ phản ánh sự ổn định pha tứ giác và mặt thoi, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hệ KNN pha tạp. Đường cong điện trễ P–E và các thông số sắt điện giảm nhẹ cho thấy sự chuyển đổi từ sắt điện thường sang sắt điện relaxor, làm tăng khả năng chuyển đổi đômen và cải thiện tính chất áp điện.

So sánh với các nghiên cứu khác, giá trị d33 đạt 460 pC/N là mức cao nhất trong các hệ KNN không chì, chứng tỏ hiệu quả của việc pha tạp BNKZ trong việc tối ưu hóa tính chất điện. Các biểu đồ phân bố kích thước hạt, đồ thị XRD và đường cong điện trễ P–E minh họa rõ ràng sự liên hệ giữa cấu trúc, vi cấu trúc và tính chất điện của vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu nồng độ BNKZ ở mức 0,04 để đạt mật độ gốm cao nhất và hệ số áp điện d33 tối ưu, áp dụng trong sản xuất vật liệu áp điện không chì thân thiện môi trường.
  2. Kiểm soát quy trình thiêu kết ở 1110 °C với tốc độ gia nhiệt và hạ nhiệt 5 °C/phút nhằm đảm bảo cấu trúc pha ổn định và vi cấu trúc đồng đều, giảm lỗ xốp.
  3. Phát triển công nghệ phân cực mẫu ở điện trường 35–40 kV/cm và nhiệt độ 100 °C trong 20 phút để tối ưu hóa phân cực và tăng cường tính chất áp điện.
  4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về tính ổn định nhiệt và cơ học của hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ trong điều kiện ứng dụng thực tế, đặc biệt trong thiết bị y sinh và cảm biến nhiệt độ cao.
  5. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu vật liệu, trường đại học chuyên ngành vật lý chất rắn và các doanh nghiệp sản xuất vật liệu áp điện nên phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng và sản xuất thử nghiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu áp điện và sắt điện: Nắm bắt kiến thức về cấu trúc perovskite, ảnh hưởng pha tạp đến tính chất điện, hỗ trợ phát triển vật liệu không chì mới.
  2. Kỹ sư công nghệ vật liệu và sản xuất gốm: Áp dụng quy trình chế tạo gốm truyền thống, tối ưu hóa các bước nung, nghiền và phân cực để nâng cao chất lượng sản phẩm.
  3. Chuyên gia phát triển thiết bị cảm biến và y sinh: Tận dụng vật liệu áp điện không chì có tính ổn định nhiệt cao, an toàn cho ứng dụng trong môi trường y tế và công nghiệp.
  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Hiểu rõ tác động của chì trong vật liệu áp điện truyền thống, thúc đẩy chính sách hạn chế sử dụng chì và khuyến khích nghiên cứu vật liệu thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần phát triển vật liệu áp điện không chứa chì?
    Chì trong vật liệu PZT gây ô nhiễm môi trường và nguy hiểm cho sức khỏe con người. Vật liệu không chì giúp giảm thiểu rủi ro này và đáp ứng các quy định quốc tế về hạn chế chất độc hại.

  2. Nồng độ BNKZ ảnh hưởng thế nào đến tính chất gốm?
    Nồng độ BNKZ tối ưu khoảng 0,04 làm tăng mật độ gốm, cải thiện hằng số điện môi và hệ số áp điện d33 lên đến 460 pC/N, đồng thời giảm tổn hao điện môi.

  3. Phương pháp chế tạo gốm có điểm gì đặc biệt?
    Quy trình chế tạo gồm nhiều bước nghiền, siêu âm, ép nung sơ bộ và thiêu kết nghiêm ngặt, đảm bảo đồng nhất pha và vi cấu trúc, giúp nâng cao tính chất điện của vật liệu.

  4. Tính chất sắt điện relaxor là gì và có lợi ích gì?
    Sắt điện relaxor có đường cong điện trễ hẹp, phân cực dư nhỏ, khả năng chuyển đổi đômen linh hoạt, giúp vật liệu có tính ổn định cao và hiệu suất áp điện tốt hơn trong ứng dụng thực tế.

  5. Ứng dụng tiềm năng của hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ là gì?
    Vật liệu phù hợp cho cảm biến áp điện, bộ dịch chuyển, thiết bị y sinh và các ứng dụng đòi hỏi vật liệu áp điện không độc hại, ổn định nhiệt và có hiệu suất cao.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công hệ gốm (1–x)KNLSN–xBNKZ với cấu trúc perovskite pha tạp, không chứa chì, có mật độ gốm tối ưu 4,30 g/cm³ tại x=0,04.
  • Nồng độ BNKZ ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc tinh thể, vi cấu trúc, tính chất điện môi và áp điện, với giá trị d33 đạt 460 pC/N vượt trội.
  • Hệ gốm thể hiện tính chất sắt điện relaxor, chuyển pha đa hình và tổn hao điện môi thấp, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp và y sinh.
  • Quy trình chế tạo gốm truyền thống được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng mẫu và tính đồng nhất cao.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tính ổn định nhiệt, cơ học và mở rộng ứng dụng thực tế, đồng thời kêu gọi hợp tác nghiên cứu và phát triển sản phẩm vật liệu áp điện không chì.

Luận văn góp phần quan trọng vào lĩnh vực vật lý chất rắn và phát triển vật liệu áp điện thân thiện môi trường, mở ra hướng đi mới cho công nghệ vật liệu áp điện trong tương lai.