Báo cáo đề tài gốm áp điện

Đại Học Quốc Gia Thành Phồ Hồ Chí Minh
Đại Học Bách Khoa - Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Môn Học: Kỹ Thuật Gốm Sứ
Đề Tài: Gốm Áp Điện
Sinh viên thực hiện : MSSV:

Nguyễn Phước Vinh V0704615
Huỳnh Hữu Phúc V0701827
Đỗ Đăng Trường V0704567
Nguyễn Ngô Hùng Cường V0704072
Nguyễn Minh Thành V0704446
1
Mục Lục
Trang
-Giới thiệu tổng quan về gốm áp điện 2
-Cấu trúc Perovskite – Cơ sở lý thuyết 5
-Cách chế tạo – Quy trình công nghệ 9
-Các ứng dụng gốm áp điện 12
2
I. Giới thiệu tổng quan
Hiện tượng áp điện (piezoelectric phenomena) là một hiện tượng
được một nhà khoáng vật học người Pháp Charles Coulomb đề cập đầu tiên
vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng
minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880. Hiện tượng xảy ra như sau: người
ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và
nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch là khi áp vào nó một trường điện thì nó
biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó
tạo ra dòng điện. Nó như một máy biến đổi trực tiếp chuyển hóa từ điện
năng sang cơ năng và ngược lại. Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa
là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch :sẽ

làm cho vật thay đổi kích thước tạo ra lực.
3
Gốm áp điện:
-Gốm áp điện là những loại vật
liệu gốm có tính chất áp điện
như BaTiO
3
, PbTiO
3
, …
-Vật liệu gốm áp điện mới hơn
PZT (PbO-ZrO2-TiO3) là gốm
trên cơ sở dung dịch rắn trong hệ
PbZrO3 – PbTiO3. Tinh thể
PbZrO3 – PbTiO3 có tính chất áp
điện với ít nhất 3% PbTiO3 trong
thành phần Được phát hiện bởi
Yutaka Takagi Gen Shirane và
Etsuro Sawaguchi tại viện công
nghệ Tokyo (1952)
Gốm áp điện (PZT) hiện nay được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và
đời sống. Dựa vào hiệu ứng áp điện thuận và ngịch của nó người ta chế tạo
ra các cảm biến dung rtong 3 lĩnh vực sau:
Cảm biến thu phát sóng siêu âm trong các máy: dò độ sâu sông
biển, dò khuyết tật trong kim loại và bê tông; máy liên lạc trong các tàu
ngầm; máy phát điện và xác định toạ độ của các đối tượng di chuyển trong
nước; các thiết bị khám và điều trị bệnh; các ngòi nổ áp điện
Trong vô tuyến dùng làm các bộ lọc tần số, bộ nhớ các máy tính điện
tử
4

Gốm áp điện còn được nghiên cứu về tính quang điện tử dùng trong
kỹ thuật laze.
 Đó là các tính chất kỳ diệu của gốm áp điện. Xu hướng hiện nay là
nghiên cứu gốm PZT chứa các phụ gia khác nhau nhằm tạo ra các vật liệu
mới đáp các lĩnh vực ứng dụng trên.
5
II Cấu trúc Perovskite và cơ sở lý thuyết
Dựa trên các phép đối xứng của các phần tử cấu tạo ( chuyển đổi vị
trí và thay đổi định hướng, chúng ta có được 230 nhóm không gian cấu
trúc. Bỏ qua sự thay đổi lặp, 230 nhóm này có thể được phân thành 32 lớp,
được gọi là 32 nhóm trọng tâm. Các nhóm này chỉ phụ thuộc vào sự định
hướng, được xác định bằng 3 trục tọa độ x,y,z trong không gian. Trong 32
nhóm cấu trúc chính, 11 nhóm có đối xứng tâm và 21 nhóm không có tâm
đối xứng, đây chính là những nhóm cần cho sự xuất hiện của hiện tượng áp
điện. Trong 21 nhóm đó thì có 20 nhóm là có thể có hiện tượng áp điện. 10
nhóm trong đó xuất hiện hiện tượng cảm ứng phân cực khi có ứng suất nội
tác động. 10 nhóm còn lại thì có khả năng tự phân cực, do đó 10 nhóm này
tồn tại lưỡng cực vĩnh cửu và có cả tính áp điện lẫn hỏa điện. 32 nhóm này
có thể được chia thành 7 kiểu tinh thể, tuân theo những quy luật đối xứng.
Các tính chất áp điện, sắt từ, hỏa điện được phân lớp trong các kiểu tinh thể
như bảng sau
6
Trong đó thì chúng ta cần chú ý nhất đến lớp cấu trúc Perovskite. Nó
được coi như lớp quan trọng nhất trong vật liệu lớp ferroelectric sắt từ.
Chúng ta có hàng trăm cách tổng hợp các cation để tạo ra cấu trúc
Perovskte ABO
3

Cấu trúc Perovskite
Vị trí các phần tử A 0,0,0

B 1/2,1/2,1/2
O ½,1/2,0
Trường hợp lý tưởng, mạng tinh thể của cấu trúc này dạng lập
phương. Nhưng thực tế, các yếu tố mạng lập phương chuyển sang dạng
thoi, đơn tà…Các hợp chất sắt từ cấu trúc Perovskite điển hình như
BaTiO3, NaNbO3, KNbO3. Các hợp chất như GdFeO3 kết tinh dạng thoi,
BaCeO3 dạng đơn tà, LaCoO2 thoi…
Chúng ta có thể hiểu đơn giản tính áp điện như sau - các hợp chất có
dạng cấu trúc này đều tự phân cực, và luôn xuất hiện trong cấu trúc những
momen lưỡng cực. Khi chúng ta áp vào chúng một điện trường lập tức các
phần tử trong mạng tinh thể chuyển động, giãn ra và di chuyển, dẫn đến
kích thước của vật liệu gốm áp điện tăng lên. Điều tương tự xảy ra khi
chúng ta làm ngược lại, tác dụng cơ học lên vật liệu áp điện, sinh ra những
ứng suất nội tác động lên các phần tử cấu trúc, làm chúng chuyển động dẫn
đến sinh ra dòng điện cảm ứng.
7
Dưới đây là các hợp chất mang cấu trúc Perovskite, ta có thể chia làm 3
nhóm
8
TRỘN ĐỒNG NHẤT
PbO-TiO
2
-ZrO
2
NGHIỀN ƯỚT
Với ethanol
SẤY KHÔ
80C
SSÀNG RUNG
TẠO HÌNH (đúc, đùn)

Thêm chất kết dính hưu cơ
NUNG KẾT KHỐI
1200C-1300C
III. Cách chế tạo và quy trình công nghệ cơ bản
Quy trình công nghệ ta có thể tóm gọn trong sơ đồ sau:
Cụ thể hơn ta gồm các công đoạn:
Chuẩn bị nguyên liệu bột – Nghiền và trộn: thường nghiền trộn
bằng phương pháp nghiền ướt trong
máy nghiền bi và sử dụng máy
nghiền rung để oxit tránh bị nhiễm
bẩn, thể tích nước phải đủ để đảm
bảo hỗn hợp ở dạng chảy lỏng,
thường là từ 100 – 200% thể tích
của bột, có thể thêm vào một số phụ
gia hoạt tính bề mặt để giảm lượng
nước khi nghiền. Khâu trộn các ôxit
ta có thể thêm phụ gia để có các tính
chấ khác mà mình mong muốn.Thêm
vào acceptor dopants tạo ra lỗ trống
oxi (anion) tạo thành PZT cứng có
hằng số điện áp thấp nhưng làm giảm thiệt hại vật liệu, làm đầu dò siêu
9
âm.Thêm vào donor dorpants tạo ra lỗ trống kim loại (cation) tạo thành
PZT mềm có hằng số điện áp cao hơn PZT cứng nhưng lại thiệt hại lớn
masat nội trong vật liệu, làm thiết bị truyền động, đầu dò trong viễn
thám, điện năng thấp
Ta xử lý nguyên liệu theo tuần tự các quy trình: trộn oxit: trộn BaCO
3
với TiO
2

ở nhiệt độ khoảng 1100 độ C, kích thước hạt khoảng 1
micromet, sau đó là quá trình Oxalate giúp chúng ta có thể dễ điều
chỉnh tỉ lệ Ba/Ti, tạo các bán tinh thể BT kích thước khoảng 10
micromet, tiếp tục xử lý Alkoxide: trộn Ba(OH)
2
và Ti(C
3
H
7
O)
4
, dựa
vào điều kiện cơ chế phản ứng, có thể tạo thành những đơn tinh thể kích
thước 50nm. Tổng hợp lớp nước hóa họa (Hydrothermal Synthesis): tạo
các lớp điện môi kích thước bé hơn 3 micromet
Xử lý nhiệt trước khi nung (Calcination): tạo oxit hoạt tính,đảm
bảo độ đồng đều của phối liệu, sau đó nghiền lại thành bột rồi đem tạo
hình
Tạo hình: có nhiều phương pháp tạo hình:
-Nén khô ( Dry-pressing)
-Nén đẳng tỉnh (Isostatic-pressing)
-Jolleying
-Đùn (Extrusion)
-Films and Layers
-Injection mouling
-Calendering and viscous polymer processing
-Slip casting
-Tape casting
10
Xử lý nhiệt độ cao, nung kết khối

Thường nung ở nhiệt độ khoảng 0.8T
nc
, với Tnc là nhiệt độ nóng chảy
của phối liệu, đây là giai đoạn quan trọng nhất, các cation sẽ khuếch tán
vào các lổ trống, sai sót, tạo thành cấu trúc áp điện. Tại giai đoạn nung
kết khối vì tránh cho chì bay hơi làm thay đổi tỉ lệ chì trong hỗn hợp
cần nung thiêu kết trong lò kín. Mặc dù vậy vẫn tổn thất 2-3% chì so
với ban đầu
11
III. Các ứng dụng của gốm áp điện
Vật liệu áp điện là một lĩnh vực quan trọng của vật liệu chức năng trong
vật liệu điện tử, nó chiếm một tỷ lệ lớn. Trong những năm gần đây, áp điện
sản phẩm trong doanh số bán hàng toàn cầu hàng năm tăng trưởng khoảng
15%. Nhu cầu phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông tin, điện tử,
vi điện tử - điện tử công nghệ cao và cả trong lĩnh vực quân sự thúc đẩy sự
phát triển, nghiên cứu và ứng dụng không ngừng của vật liệu áp điện
Một số ứng dụng của gốm áp điện:
1. ĐẦU DÒ SIÊU ÂM
Đầu dò là chủ yếu gồm những vật chất phù hợp với áp điện, và sao lưu
các lớp. Một hoặc nhiều lớp kết hợp được sử dụng để tăng âm thanh được
truyền đi vào các mô, sao lưu được thêm vào phía sau của đầu dò nhằm
giảm làn sóng trở lại âm thanh và để giảm thời gian xung.
Vật liệu áp điện được sử dụng để tạo ra và phát hiện siêu âm.
Đầu dò siêu âm chế tạo thiết bị tìm kiếm tàu ngầm và tìm kiếm cá.
12
Ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự
Siêu âm dò quét rất hữu ích trong
ngành điện tử y tế cho lâm sàng các
ứng dụng khác nhau, từ chẩn đoán để
điều trị và phẫu thuật: dựa trên các lĩnh

vực siêu âm tiếng dội. Đầu dò siêu âm
chuyển đổi năng lượng điện vào mẫu
cơ khí khi tạo một xung âm thanh và
chuyển đổi năng lượng cơ học thành tín
hiệu điện khi phát hiện sóng tán xạ.
Những tiếng vang thay đổi cường độ
theo các loại mô hoặc cấu trúc cơ thể,
do đó tạo ra hình ảnh.
Siêu âm là một trong những kỹ thuật
chẩn đoán hình ảnh an toàn nhất. Nó không sử dụng ion hóa bức xạ như
các tia X và do đó là thường xuyên được sử dụng cho hình ảnh thai nhi
và sản khoa. Các khu vực hữu ích cho hình ảnh siêu âm bao gồm các
cấu trúc tim, các mạch máu hệ thống, thai nhi và các cơ quan bụng như
gan và thận.
Tóm lại, nó có thể nhìn thấy bên trong cơ thể con người mà không vi
phạm da bằng cách sử dụng chùm siêu âm.
13
Một trong những ứng dụng rất cơ bản của gốm áp điện là làm bộ
phận đánh lửa khí. Điện áp cao trong gốm áp điện, dưới áp lực cơ khí
có thể gây ra tình trạng bắt lửa và bốc cháy khí. Có hai điều kiện để ứng
dụng lực cơ khí, hoặc bằng một ứng dụng bằng xung nhanh hoặc tăng
dần dần, liên tục.
2. THIẾT BỊ CẢM BIẾN
Gốm áp điện có thể được sử dụng như cảm biến ứng suất và
cảm biến gia tốc, do hiệu ứng áp điện trực tiếp. Có vai trò vô cùng to lớn
trong công nghệ nghiên cứu vật liệu nano, cảm biến những thay đổi khoảng
cách, lực vô cùng bé, chế tạo vật liệu từ, chế tạo các bảng mạch, vi mạch
điện tử… có ý nghĩa vô cùng quan trọng không thể thay thế được trong
ngành vật liệu điện tử ngày nay.
14

Chế tạo cantillever cho các máy phân tích nano (AFM, STM……)
3. THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG
a. Máy in
Máy in kim là sản phẩm đầu tiên thương mại hóa rộng rãi bằng cách
sử dụng gốm sứ thiết bị truyền động.
Các yếu tố in bao gồm một thiết bị đa áp điện, trong đó 100 mỏng
gốm tấm dày 100μmin được xếp chồng lên nhau, cùng với một độ phóng
đại tinh vi (b). Đơn vị phóng đại dựa trên một nguyên khối bản lề đòn bẩy
với một độ phóng đại của 30, kết quả là một thuyên khuếch đại của 0.5mm
và truyền năng lượng một hiệu quả lớn hơn 50%.
15
b. Động cơ piezo
Động cơ siêu âm được làm bằng piezoceramics có hiệu quả là không
nhạy cảm với kích thước được cấp trên trong khu vực nhỏ có động cơ.
Cấu tạo:
Động cơ piezo: gồm hai phần stator và rotor, được ép dính vào nhau.
Stator là một đĩa hoặc thanh kim loại có dán các miếng Piezo, còn rotor chỉ
là một đĩa hoặc thanh kim loại (tùy loại động cơ thẳng hay tròn).Năng
lượng điện làm biến đổi hình dạng của các mẩu piezo tạo thành sóng cơ
học trên stator, sóng này sẽ đẩy rotor chuyển động xoay tròn hay thẳng.
Động cơ siêu âm có những điểm giống và khác biệt so với động cơ thông
thường đang sử dụng như sau:
Giống nhau: Cùng là loại động cơ điện, biến điện năng thành cơ năng,
chuyển động xoay tròn hoặc đi thẳng.
Khác nhau cơ bản: Động cơ điện đang dùng hiện nay dùng nguyên lí điện
từ, phát từ bởi các cuộn dây quấn quanh lõi thép và từ đó stator đẩy rotor
gây moment lực cơ. Động cơ siêu gồm hai phần stator và rotor, được ép
dính vào nhau. Stator là một đĩa hoặc thanh kim loại có dán các miếng
16
Piezo, còn rotor chỉ là một đĩa hoặc thanh kim loại (tùy loại động cơ thẳng

hay tròn).
17