Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu giải quyết bài toán chế tạo và nâng cao tính chất của gốm áp điện không chì trên cơ sở bari titanat ($\text{BaTiO}3$, viết tắt là BTO hoặc BT), nhằm hướng tới việc thay thế các hệ vật liệu chứa chì truyền thống như $\text{Pb(Zr, Ti)O}3$ (PZT) vốn độc hại cho môi trường và sức khỏe con người. Vật liệu $\text{BaTiO}3$ là gốm áp điện không chì đầu tiên được phát hiện vào năm 1944, có nhiệt độ chuyển pha Curie $T_C = 120^\circ\text{C}$ và hệ số áp điện $d{33}$ khoảng $190\text{ pC/N}$. Tuy nhiên, do sự ra đời của hệ vật liệu PZT có các hệ số áp điện và nhiệt độ chuyển pha vượt trội, các nghiên cứu về $\text{BaTiO}3$ từng bị gián đoạn trong thời gian dài. Sau khi các nghiên cứu công bố hệ vật liệu không chì $\text{Ba(Zr}{0.2}\text{Ti}{0.8}\text{)O}3\text{ - }x\text{(Ba}{0.7}\text{Ca}{0.3}\text{)TiO}3$ (BZT-$x$BCT) đạt hệ số $d{33} = 620\text{ pC/N}$ tại điểm ba của giản đồ pha, hướng nghiên cứu nâng cao tính chất áp điện trên nền $\text{BaTiO}_3$ thông qua thiết kế cấu trúc vi mô và cấu trúc đô men nano đã thu hút sự quan tâm trở lại.

Khoảng trống nghiên cứu mà tác giả xác định là:

  • Việc làm chủ quy trình công nghệ tổng hợp bột $\text{BaTiO}_3$ cấu trúc nano có độ phân tán cao từ nguyên liệu ban đầu $\text{TiO}_2$ nano.
  • Ứng dụng kỹ thuật thiêu kết hai bước (Two-Step Sintering - TSS) nhằm hạ nhiệt độ thiêu kết gốm, ức chế sự phát triển quá mức của kích thước hạt, tối ưu hóa mật độ vách đô men nano, từ đó nâng cao các thông số áp điện và điện cơ.
  • Ứng dụng hệ gốm $\text{BaTiO}_3$ chế tạo được vào thiết kế và chế tạo biến tử áp điện kiểu Bimorph hỗn hợp phục vụ công nghệ thủy âm.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xây dựng quy trình công nghệ chế tạo gốm áp điện không chì trên cơ sở $\text{BaTiO}_3$ từ bột kích thước nano, khảo sát có hệ thống các tính chất điện môi, sắt điện, áp điện của vật liệu khi thiêu kết bằng phương pháp thiêu kết thường (CS) và thiêu kết hai bước (TSS), đồng thời mô phỏng và chế tạo thử nghiệm biến tử Bimorph hỗn hợp ứng dụng trong ăng ten thu thủy âm.

Nội dung nghiên cứu của luận án được chia thành 5 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng của vật liệu $\text{BaTiO}_3$ nano bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng $\text{TiO}_2$ nano làm nguyên liệu đầu.
  2. Xây dựng quy trình công nghệ và chế tạo hệ vật liệu gốm áp điện $\text{BaTiO}_3$ sử dụng phương pháp thiêu kết thường và thiêu kết hai bước.
  3. Nghiên cứu tính chất sắt điện, điện môi, áp điện của các vật liệu $\text{BaTiO}_3$.
  4. Nghiên cứu đặc trưng cộng hưởng và âm học của biến tử Bimorph hỗn hợp bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
  5. Chế tạo, nghiên cứu biến tử Bimorph hỗn hợp bằng thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu gốm áp điện không chì trên cơ sở $\text{BaTiO}_3$ và biến tử áp điện kiểu Bimorph hỗn hợp.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát quy trình công nghệ tổng hợp bột nano, công nghệ thiêu kết thường và thiêu kết hai bước, đo đạc tính chất vật lý ở nhiệt độ phòng và theo nhiệt độ/tần số; thiết kế, mô phỏng số và chế tạo thực nghiệm biến tử thủy âm. Nghiên cứu được hoàn thành tại Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế vào năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả điểm lại lịch sử phát triển của các hệ vật liệu áp điện và các phương pháp cải thiện đặc tính điện cơ:

  • Lịch sử vật liệu áp điện: Hiệu ứng áp điện được anh em nhà Curie phát hiện năm 1880. Năm 1944, $\text{BaTiO}3$ được chế tạo bằng phản ứng pha rắn ở nhiệt độ trên $1450^\circ\text{C}$ ($d{33} \approx 190\text{ pC/N}$, $T_C = 120^\circ\text{C}$). Giai đoạn 1950–1954, hệ vật liệu $\text{Pb(Zr, Ti)O}3$ (PZT) xuất hiện và trở thành vật liệu áp điện chủ lực. Năm 2009, Liu và Ren công bố hệ vật liệu $\text{Ba(Zr}{0.2}\text{Ti}{0.8}\text{)O}3\text{ - }x\text{(Ba}{0.7}\text{Ca}{0.3}\text{)TiO}3$ (BZT-$x$BCT) đạt $d{33} = 620\text{ pC/N}$ tại $x = 50%$.
  • Các hệ dung dịch rắn không chì khác: Hệ $\text{Ba(Sn}{0.12}\text{Ti}{0.88}\text{)O}3\text{ - (Ba}{0.7}\text{Ca}{0.3}\text{)TiO}3$ (BTS-BCT) có $d{33} = 530\text{ pC/N}$; hệ $\text{Ba(Ti}{0.8}\text{Zr}{0.2}\text{)O}3\text{ - (Ba}{0.7}\text{Ca}{0.3}\text{)TiO}3$ đạt $d{33} = 550\text{ pC/N}$; hệ $\text{BaTiO}3\text{-}x\text{BaSnO}3$ (BT-$x$BS) đạt $d{33} = 697\text{ pC/N}$ nhờ sự hội tụ tại điểm bốn pha (lập phương - tứ giác - trực thoi - mặt thoi). Hệ gốm $\text{K}{0.5}\text{Na}{0.5}\text{NbO}3$ (KNN) được Saito và cộng sự (2004) phát triển đạt $d{33} \approx 416\text{ pC/N}$ qua phương pháp định hướng hạt (RTGG), và các nghiên cứu năm 2017 đạt $d{33} = 700\text{ pC/N}$. Hệ $\text{Bi}{0.5}\text{Na}{0.5}\text{TiO}3$ (BNT) do Smolenski phát hiện năm 1960, Lin và cộng sự (2006) ghi nhận $d{33} \approx 230\text{ pC/N}$, Zhang và cộng sự (2007) ghi nhận biến dạng $0{,}45%$.
  • Kỹ thuật pha tạp $\text{BaTiO}_3$: Pha tạp $\text{Li}^+$ bởi Kimura và cộng sự đạt $d_{33} = 260\text{ pC/N}$, $T_C = 130^\circ\text{C}$; pha tạp $\text{LiF}$ bởi Yang và cộng sự đạt $d_{33} = 270\text{ pC/N}$; Zhu ghi nhận $d_{33} = 340\text{ pC/N}$; đồng pha tạp $\text{Sn}^{4+}$ và $\text{Y}^{3+}$ đạt $d_{33} = 454\text{ pC/N}$, $T_C = 84{,}7^\circ\text{C}$; hệ pha tạp $A(\text{Cu}{1/3}\text{Nb}{2/3})\text{O}3$ ($A = \text{Ca}^{2+}, \text{Sr}^{2+}, \text{Ba}^{2+}$) đạt $d{33} \approx 260 - 333\text{ pC/N}$.
  • Kỹ thuật định hướng cấu trúc (Texturing): Vriami chế tạo mẫu định hướng [001] đạt $d_{33} = 274\text{ pC/N}$; Kobayashi và cộng sự định hướng [111] làm tăng $d_{33}^*$ thêm $30%$; Wada chế tạo mẫu định hướng [110] có kích thước hạt $75\ \mu\text{m}$ và đô men $800\text{ nm}$, đạt $d_{33} = 788\text{ pC/N}$.
  • Kỹ thuật thiêu kết hai bước (TSS): Phương pháp TSS-CW do Chen và Wang đề xuất (nung lên nhiệt độ $T_1$ để đạt mật độ tới hạn rồi hạ nhanh xuống $T_2$ giữ nhiệt độ kéo dài) và TSS-C do Chu đề xuất. Kim và Han ghi nhận TSS-CW trên $\text{BaTiO}3$ pha tạp $\text{Dy}$ thu được hạt $200 - 400\text{ nm}$; Wang và cộng sự thu được gốm $\text{BaTiO}3$ có kích thước hạt $35\text{ nm}$; Karaki và cộng sự đạt $d{33} = 460\text{ pC/N}$, $\varepsilon = 5000$, $k_p = 0{,}42$; Huan và cộng sự đạt $d{33} = 519\text{ pC/N}$, $\varepsilon = 6487$ với kích thước hạt $\approx 0{,}99\ \mu\text{m}$; Hoshina và cộng sự đạt $d_{33} = 460\text{ pC/N}$; Nan Ma và cộng sự tổng hợp từ bột nano thiêu kết ở $1190^\circ\text{C}$ thu được $d_{33} = 355\text{ pC/N}$, $k_p = 0{,}40$, $P_r = 10{,}2\ \mu\text{C/cm}^2$.

Luận án định vị trọng tâm vào việc kết hợp phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt) để tạo bột tiền chất nano đồng đều với kỹ thuật thiêu kết hai bước TSS-CW, kiểm soát vi cấu trúc hạt mịn và mật độ đô men, từ đó tối ưu hóa các hệ số cơ điện và áp dụng trực tiếp vào linh kiện thủy âm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Cấu trúc Perovskite $\text{ABO}_3$: $\text{BaTiO}_3$ có cấu trúc perovskite với cation $\text{Ba}^{2+}$ chiếm vị trí A tại các đỉnh ô mạng lập phương, cation $\text{Ti}^{4+}$ ở vị trí B tại tâm ô mạng và anion $\text{O}^{2-}$ ở tâm các mặt tạo thành khối bát diện $\text{BO}_6$. Mức độ xếp chặt của cấu trúc được đánh giá qua thừa số bền vững $t$: $$t = \frac{R_A + R_O}{\sqrt{2}(R_B + R_O)}$$ Trong đó $R_A, R_B, R_O$ lần lượt là bán kính ion của $\text{A, B}$ và oxy.
Hợp chất Perovskite Giá trị thừa số $t$ Hợp chất Perovskite Giá trị thừa số $t$
$\text{CaTiO}_3$ 0,89 $\text{CaSnO}_3$ 0,85
$\text{SrTiO}_3$ 0,07 $\text{SrSnO}_3$ 0,92
$\text{BaTiO}_3$ 1,02 $\text{BaSnO}_3$ 0,97
$\text{PbTiO}_3$ 0,98 $\text{CaZrO}_3$ 0,84
$\text{CdTiO}_3$ 0,88 $\text{BaZrO}_3$ 0,96
  • Chuyển pha cấu trúc của $\text{BaTiO}_3$: Khi nhiệt độ giảm, $\text{BaTiO}_3$ trải qua chuỗi chuyển pha loại 1: $$\text{Lập phương } (Pm\bar{3}m) \xrightarrow{\sim 120^\circ\text{C}} \text{Tứ giác } (P4mm) \xrightarrow{\sim 5^\circ\text{C}} \text{Trực thoi } (Amm2) \xrightarrow{\sim -90^\circ\text{C}} \text{Mặt thoi } (R3m)$$ Ở trên nhiệt độ Curie ($T_C \approx 120^\circ\text{C}$), vật liệu ở pha thuận điện và tuân theo định luật Curie-Weiss: $$\frac{\varepsilon'}{\varepsilon_0} = \frac{C}{T - \theta}$$ với $C$ là hằng số Curie, $\theta$ là nhiệt độ Curie-Weiss, $\varepsilon'$ là phần thực của hằng số điện môi tương đối và $\varepsilon_0$ là hằng số điện môi chân không.
  • Cơ chế thiêu kết hai bước (TSS-CW): Ở bước 1 ($T_1$), mẫu đạt mật độ tới hạn ($\approx 73%$ đối với $\text{BaTiO}_3$) và làm lạnh nhanh xuống $T_2$ để cố định các nút ba điểm của biên hạt. Tại $T_2$, quá trình tăng tỷ trọng diễn ra thuần túy thông qua khuếch tán biên hạt mà không xảy ra sự dịch chuyển biên hạt, giúp hạn chế sự phát triển kích thước hạt gốm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng

  1. Tổng hợp vật liệu:
    • Điều chế $\text{TiO}_2\cdot n\text{H}_2\text{O}$ bằng phương pháp axit sunfuric có hỗ trợ sóng siêu âm.
    • Tổng hợp bột nano $\text{BaTiO}_3$ bằng phản ứng thủy nhiệt từ $\text{Ba(OH)}_2\cdot 8\text{H}_2\text{O}$ và $\text{TiO}_2$ nano trong môi trường kiềm.
    • Tạo hình phôi gốm và thiêu kết bằng phương pháp thiêu kết thường (CS) và thiêu kết hai bước (TSS-CW).
    • Phân cực áp điện sử dụng hệ nguồn cao áp $0 - 40\text{ kV}$ (khảo sát theo điện trường và thời gian phân cực, ví dụ $3\text{ kV/cm}$ tại $100^\circ\text{C}$ trong 30 phút).
  2. Kỹ thuật phân tích cấu trúc và hình thái:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD) kết hợp phân tích tinh chỉnh cấu trúc Rietveld; phần mềm VESTA mô phỏng ô cơ sở.
    • Phổ tán xạ Raman khảo sát các liên kết dao động mạng.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) phân tích vi cấu trúc bề mặt và kích thước hạt.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) kiểm tra thành phần nguyên tố.
    • Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Archimedes sử dụng cân điện tử cải tiến trong chất lỏng.
  3. Kỹ thuật đo đạc tính chất điện và áp điện:
    • Mạch Sawyer-Tower đo vòng trễ sắt điện phân cực - điện trường ($P-E$).
    • Máy đo RLC tự động HIOKI 3532 đo phổ điện môi ($\varepsilon_r, \tan\delta$) phụ thuộc tần số ($1\text{ kHz} - 1\text{ MHz}$) và nhiệt độ.
    • Máy phân tích trở kháng HP4193A xác định phổ dao động cộng hưởng/phản cộng hưởng theo các mode: phương bán kính, chiều dọc, chiều ngang, chiều dày và xoắn.
    • Thiết bị YE2730A đo trực tiếp hệ số áp điện $d_{33}$.
    • Tính toán hệ số liên kết điện cơ ($k_p, k_t, k_{31}, k_{33}$), hệ số phẩm chất cơ học ($Q_m$), hằng số áp điện ($d_{ij}, g_{ij}$), hệ số đàn hồi ($s_{ij}^E, s_{ij}^D$) và hệ số độ cứng ($c_{ij}^E, c_{ij}^D$) theo tiêu chuẩn IEEE về áp điện.
  4. Phương pháp mô phỏng số:
    • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm COMSOL Multiphysics giải hệ phương trình liên tục và phương trình động học áp điện nhằm phân tích trạng thái dao động cộng hưởng, phân bố điện thế, mức áp suất âm (SPL) và độ nhạy truyền điện áp (TVR) của biến tử Bimorph hỗn hợp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan lý thuyết

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu $\text{BaTiO}_3$ cấu trúc perovskite $\text{ABO}_3$, sự dịch chuyển vị trí của ion $\text{Ti}^{4+}$ và $\text{O}^{2-}$ so với $\text{Ba}^{2+}$ tạo ra phân cực tự phát $P_s$ và ứng suất tự phát $\chi_s$. Chương này phân tích các phương pháp hóa học chế tạo bột nano $\text{BaTiO}_3$ gồm: phương pháp cơ kim (hot injection), phương pháp nhiệt dung môi/thủy nhiệt, phương pháp muối nóng chảy và phương pháp sol-gel.

Bên cạnh đó, chương đánh giá các kỹ thuật cải thiện tính chất áp điện:

  • Kỹ thuật điều khiển kích thước hạt và cấu trúc đô men (kích thước hạt tối ưu $1 - 2{,}3\ \mu\text{m}$ kết hợp đô men dưới $100\text{ nm}$ cho tính chất cao nhất).
  • Kỹ thuật định hướng tinh thể (texturing).
  • Kỹ thuật biến tính thành phần thông qua pha tạp acceptor/donor và tạo dung dịch rắn tại biên pha hình thái học (MPB) hoặc các điểm đa pha (điểm ba, điểm bốn).
  • Cơ chế kiểm soát kích thước hạt của phương pháp thiêu kết hai bước TSS-CW và TSS-C.

Chương 2. Thực nghiệm tổng hợp hệ vật liệu áp điện $\text{BaTiO}_3$ và các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày quy trình chế tạo bột $\text{TiO}_2$ nano bằng phương pháp axit sunfuric có hỗ trợ sóng siêu âm và tổng hợp bột nano $\text{BaTiO}_3$ bằng phương pháp thủy nhiệt từ $\text{Ba(OH)}_2\cdot 8\text{H}_2\text{O}$ và $\text{TiO}_2$. Tác giả khảo sát chi tiết ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ:

Tham số khảo sát Dải khảo sát Ảnh hưởng đến cấu trúc và vi cấu trúc bột $\text{BaTiO}_3$ nano
Nhiệt độ thủy nhiệt $100^\circ\text{C}, 120^\circ\text{C}, 150^\circ\text{C}, 180^\circ\text{C}, 200^\circ\text{C}$ Nhiệt độ tăng giúp nâng cao độ kết tinh pha tứ giác, tăng kích thước hạt trung bình và tăng hiệu suất thu hồi bột.
Tỷ lệ mol $\text{Ba/Ti}$ ($R_{\text{Ba/Ti}}$) $1{,}0 \div 2{,}0$ ($1{,}0; 1{,}2; 1{,}5; 2{,}0$) Tỷ lệ $R_{\text{Ba/Ti}} = 1{,}5$ loại bỏ hoàn toàn pha tạp $\text{TiO}_2$ dư, tạo hạt đồng nhất có phân bố kích thước theo hàm Gauss hẹp.
Thời gian thủy nhiệt $3\text{ h} \div 30\text{ h}$ ($3, 6, 12, 24, 30\text{ h}$) Thời gian $12\text{ h}$ tại $200^\circ\text{C}$ với $R_{\text{Ba/Ti}} = 1{,}5$ tạo ra hạt $\text{BaTiO}_3$ hình cầu, phân tán cao, cấu trúc tứ giác hoàn chỉnh (khẳng định qua XRD, Raman, SEM và EDS).

Chương này cũng thiết lập chi tiết quy trình tạo phôi gốm, thiêu kết thường (CS), thiêu kết hai bước (TSS-CW), quy trình phân cực mẫu trên hệ nguồn $0 - 40\text{ kV}$, và hệ thống các công thức xác định tham số áp điện theo tiêu chuẩn IEEE.

Chương 3. Nghiên cứu tính chất vật lý của hệ vật liệu trên cơ sở $\text{BaTiO}_3$

Chương 3 tập trung phân tích cấu trúc, hình thái vi mô, đặc trưng sắt điện, điện môi và các hệ số áp điện của hai nhóm mẫu:

  1. Nhóm gốm thiêu kết thường (CS-$\text{BaTiO}_3$):
    • Khảo sát nhiệt độ thiêu kết từ $1150^\circ\text{C}$ đến $1350^\circ\text{C}$ ($1150, 1200, 1250, 1300, 1350^\circ\text{C}$).
    • Kết quả chỉ ra mẫu thiêu kết tại $1300^\circ\text{C}$ (CS-1300) đạt độ đặc cao, cấu trúc pha tứ giác rõ nét, đường trễ $P-E$ cân đối, hằng số điện môi và các hệ số liên kết điện cơ $k_p$, hệ số áp điện $d_{33}$ đạt giá trị tối ưu trong nhóm thiêu kết thường.
  2. Nhóm gốm thiêu kết hai bước (TSS-$\text{BaTiO}_3$):
    • Ảnh hưởng của nhiệt độ bước 1 ($T_1$ từ $1275^\circ\text{C}$ đến $1375^\circ\text{C}$, ký hiệu TSS1-$x$): Mẫu TSS1-1350 (với $T_1 = 1350^\circ\text{C}$) thể hiện độ hoàn hảo mạng tinh thể cao nhất qua phân tích Rietveld, tỷ trọng mẫu đạt giá trị cao, hạt phân bố đồng đều không bị phát triển quá mức. Đường trễ sắt điện mở rộng, phổ điện môi theo nhiệt độ và tần số thể hiện cực đại chuyển pha rõ nét. Phổ dao động cộng hưởng theo 5 mode (bán kính, chiều dọc, chiều ngang, chiều dày, xoắn) cho các thông số điện cơ và áp điện ($k_p, k_t, k_{31}, k_{33}, d_{33}, g_{33}, Q_m$) cùng các hệ số đàn hồi ($s_{ij}^E, s_{ij}^D$) và độ cứng ($c_{ij}^E, c_{ij}^D$) vượt trội so với mẫu CS.
    • Ảnh hưởng của nhiệt độ bước 2 ($T_2$ từ $1150^\circ\text{C}$ đến $1225^\circ\text{C}$, ký hiệu TSS2-$y$): Khảo sát các mức nhiệt độ $1150, 1175, 1200, 1225^\circ\text{C}$ cho thấy nhiệt độ $T_2$ quyết định quá trình khuếch tán biên hạt làm sít đặc gốm. Tác giả xác định được chế độ nhiệt $T_2$ tối ưu giúp ổn định tỉ lệ tứ giác $c/a$, làm khớp định luật Curie-Weiss với tổn hao điện môi $\tan\delta$ thấp và hệ số áp điện đạt cực đại.

Chương 4. Nghiên cứu, chế tạo biến tử Bimorph hỗn hợp ứng dụng trong thủy âm

Chương 4 mở rộng kết quả nghiên cứu vật liệu sang thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm linh kiện ứng dụng:

  • Cấu tạo biến tử Bimorph hỗn hợp: Biến tử gồm hộp cộng hưởng chứa 4 bản gốm áp điện $\text{BaTiO}_3$ dạng đĩa kết hợp với vành trống/vòng đệm kim loại và hệ thống dây dẫn ghép nối phân cực.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) trên COMSOL Multiphysics:
    • Xây dựng mô hình hình học 2D/3D, thiết lập bài toán liên kết áp điện - cấu trúc - âm học.
    • Phân tích mode dao động, phân bố điện thế và trường chuyển vị của cấu trúc Bimorph tại các tần số làm việc ($5\text{ kHz}, 10\text{ kHz}, 15\text{ kHz}, 20\text{ kHz}$).
    • Khảo sát ảnh hưởng của đường kính và độ dày đĩa gốm áp điện đến tần số cộng hưởng/phản cộng hưởng.
    • Tính toán các đặc tính âm học trong môi trường nước: mức áp suất âm (SPL) dạng 3D và giản đồ cực ở dải tần $1 - 20\text{ kHz}$, trường áp suất âm toàn phần tại $10\text{ kHz}$ và độ nhạy truyền điện áp (TVR) tại khoảng cách $1\text{ m}$ dọc theo trục biến tử.
  • Chế tạo thực nghiệm và kiểm tra:
    • Gia công ép phôi, thiêu kết gốm $\text{BaTiO}3$ theo thông số tối ưu, phủ điện cực bạc, đo kiểm định lượng hệ số $d{33}$ từng đĩa trên hệ YE2730A.
    • Đánh dấu cực tính âm/dương, lắp ráp hoàn chỉnh biến tử Bimorph hỗn hợp.
    • Đo phổ cộng hưởng thực nghiệm của biến tử hoàn chỉnh và so sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng FEM, xác nhận sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  • Làm rõ quy luật tạo mầm và cơ chế hình thành tinh thể nano $\text{BaTiO}_3$ hình cầu, phân tán cao trong quá trình thủy nhiệt từ nguyên liệu $\text{TiO}_2$ nano và $\text{Ba(OH)}_2\cdot 8\text{H}_2\text{O}$.
  • Khẳng định vai trò của kỹ thuật thiêu kết hai bước (TSS-CW) trong việc kiểm soát kích thước hạt, ức chế sự di chuyển biên hạt ở giai đoạn hai, duy trì cấu trúc hạt mịn và mật độ đô men nano, tạo cơ sở vật lý nâng cao các hệ số áp điện và hằng số điện môi của gốm không chì $\text{BaTiO}_3$.
  • Thiết lập đầy đủ bộ tham số vật lý của gốm $\text{BaTiO}_3$ qua 5 kiểu mode dao động cộng hưởng theo chuẩn đo lường quốc tế về áp điện.

Đóng góp về mặt thực tiễn và công nghệ

  • Hoàn thiện quy trình công nghệ điều chế bột nano $\text{BaTiO}3$ bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ $200^\circ\text{C}$, thời gian $12\text{ giờ}$ với tỷ lệ $R{\text{Ba/Ti}} = 1{,}5$.
  • Tối ưu hóa thành công quy trình công nghệ thiêu kết hai bước TSS-CW để chế tạo gốm áp điện $\text{BaTiO}_3$ có độ đặc cao, tổn hao điện môi thấp và tính chất cơ điện được nâng cao so với thiêu kết thường.
  • Ứng dụng thành công phần mềm COMSOL Multiphysics trong việc mô phỏng, thiết kế và chế tạo thực nghiệm biến tử Bimorph hỗn hợp có các đặc trưng dao động cộng hưởng và đặc tính âm học đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của thiết bị thu thủy âm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nhiệt độ chuyển pha Curie của hệ gốm $\text{BaTiO}_3$ thuần túy nằm ở mức xấp xỉ $120^\circ\text{C}$, giới hạn dải nhiệt độ làm việc của vật liệu so với các hệ gốm chứa chì (PZT).
    • Quá trình lắp ráp biến tử Bimorph hỗn hợp đòi hỏi sự đồng đều khắt khe về kích thước và hệ số áp điện giữa các đĩa gốm thành phần nhằm đảm bảo tính đối xứng cơ điện.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Kết hợp kỹ thuật thiêu kết hai bước với việc pha tạp hoặc tạo dung dịch rắn đa nguyên trên nền $\text{BaTiO}_3$ (như BZT-BCT, BT-BS) nhằm nâng cao nhiệt độ Curie và độ ổn định nhiệt của các hệ số áp điện.
    • Thử nghiệm biến tử Bimorph hỗn hợp trong các hệ thống ăng ten thu phát thủy âm phức hợp trong điều kiện môi trường biển thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp nguồn tư liệu chuyên khảo hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Vật liệu, Vật lý Chất rắn, Vật lý Kỹ thuật: Tham khảo quy trình tổng hợp thủy nhiệt hạt nano oxit perovskite, kỹ thuật tinh chỉnh cấu trúc XRD Rietveld và phương pháp phân tích phổ dao động cộng hưởng xác định trọn bộ hệ số áp điện ($k_{ij}, d_{ij}, g_{ij}, s_{ij}, c_{ij}$).
  • Kỹ sư và cán bộ nghiên cứu công nghệ gốm điện tử: Sử dụng trực tiếp chế độ công nghệ thiêu kết hai bước TSS-CW để kiểm soát kích thước hạt và mật độ gốm ở nhiệt độ thiêu kết thấp.
  • Nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế thiết bị âm học, thủy âm: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) trên COMSOL Multiphysics để mô phỏng bài toán âm học - áp điện liên kết và quy trình công nghệ chế tạo biến tử Bimorph hỗn hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều kiện thủy nhiệt tối ưu để tổng hợp bột nano $\text{BaTiO}_3$ trong luận án là gì?
Nhiệt độ phản ứng là $200^\circ\text{C}$, thời gian giữ nhiệt $12\text{ giờ}$, và tỷ lệ mol $\text{Ba/Ti}$ ($R_{\text{Ba/Ti}}$) bằng $1{,}5$, sử dụng tiền chất $\text{Ba(OH)}_2\cdot 8\text{H}_2\text{O}$ và $\text{TiO}_2$ nano. Chế độ này tạo ra các hạt $\text{BaTiO}_3$ hình cầu, phân tán cao và có cấu trúc pha tứ giác hoàn chỉnh.

2. Cơ chế vật lý nào giúp kỹ thuật thiêu kết hai bước (TSS-CW) ức chế sự phát triển kích thước hạt gốm?
Ở bước thiêu kết thứ nhất ($T_1$), mẫu được nung tới nhiệt độ cao trong thời gian ngắn để đạt mật độ tới hạn ($\approx 73%$). Sau đó mẫu được làm lạnh nhanh xuống nhiệt độ $T_2$ thấp hơn. Việc hạ nhiệt độ nhanh làm bất động các điểm nối ba của biên hạt, ngăn chặn sự dịch chuyển biên hạt; quá trình sít đặc tiếp theo ở $T_2$ diễn ra thuần túy nhờ cơ chế khuếch tán biên hạt, giúp gốm đạt độ đặc cao mà hạt không bị tăng kích thước.

3. Trong nhóm mẫu thiêu kết thường (CS), nhiệt độ thiêu kết nào cho kết quả tốt nhất?
Nhiệt độ thiêu kết $1300^\circ\text{C}$ (mẫu ký hiệu CS-1300) cho vi cấu trúc sít đặc, độ trễ sắt điện cân đối và các thông số điện môi, áp điện tối ưu trong dải khảo sát từ $1150^\circ\text{C}$ đến $1350^\circ\text{C}$.

4. Cấu tạo cơ bản của biến tử Bimorph hỗn hợp chế tạo trong Chương 4 gồm những thành phần nào?
Biến tử gồm một hộp cộng hưởng chứa 4 bản gốm áp điện $\text{BaTiO}_3$ dạng đĩa, kết hợp với vành trống (vòng đệm kim loại), điện cực bạc phủ mặt gốm và hệ thống dây dẫn liên kết phân cực.

5. Phần mềm COMSOL Multiphysics được sử dụng để khảo sát các đặc tính nào của biến tử Bimorph?
Phần mềm giải bài toán phần tử hữu hạn (FEM) nhằm xác định các mode dao động cộng hưởng, phân bố điện thế, trường chuyển vị cơ học, mức áp suất âm (SPL) 3D và giản đồ cực trong dải tần $1 - 20\text{ kHz}$, cùng độ nhạy truyền điện áp (TVR) tại khoảng cách $1\text{ m}$ trong môi trường nước.

Kết luận

Luận án của tác giả Đỗ Viết Ơn đã hoàn thành có hệ thống quy trình công nghệ chế tạo gốm áp điện không chì $\text{BaTiO}_3$ từ bột nano tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp kỹ thuật thiêu kết hai bước TSS-CW. Các kết quả thực nghiệm đã xác định được mối tương quan giữa tham số công nghệ thiêu kết với vi cấu trúc, đặc trưng sắt điện, điện môi và trọn bộ các hệ số áp điện theo tiêu chuẩn IEEE. Đồng thời, nghiên cứu đã ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn trên COMSOL Multiphysics để mô phỏng và chế tạo thực nghiệm biến tử Bimorph hỗn hợp đạt các đặc tính âm học phù hợp định hướng ứng dụng trong thiết bị thủy âm.