Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc tính của phần tử áp điện không chì

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp cao học được hoàn thành tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Có được bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu
sắc tới Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau đại học và đặc biệt là
PGS,TS. Hoàng Sỹ Hồng và TS. Đặng Đức Dũng, người đã trực tiếp hướng dẫn,
dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển
khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc
tính của phần tử áp điện không chì”.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo – Các nhà khoa học đã trực tiếp
giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Đo lường và các hệ
thống điều khiển cho bản thân tôi trong những năm tháng qua.
Xin ghi nhận công sức và những đóng góp quý báu và nhiệt tình của các bạn
học viên cùng lớp. Có thể khẳng định sự thành công của luận văn này, trước hết
thuộc về công lao của tập thể, của nhà trường, cơ quan và xã hội. Đặc biệt là sự
quan tâm, động viên, khuyến khích cũng như sự thông cảm sâu sắc của gia đình.
Nhân đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu đậm.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn các đơn vị và cá nhân đã hết lòng quan
tâm tới sự nghiệp đào tạo cán bộ ngành Điện. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp
phê bình của quý Thầy Cô, các nhà khoa học, độc giả và các bạn đồng nghiệp.
Đề tài được hoàn thành dưới sự hỗ trợ kinh phí thuộc đề tài của Bộ giáo Dục
và Đào tạo, mã số B2013.01.55.

Xin chân thành cảm ơn
Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2015

Nguyễn Văn Toản
1


MỤC LỤC
Trang

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................8
Chương 1. TỔNG QUAN .......................................................................................10
1.1. Nguyên lý và ứng dụng của vật liệu áp điện ......................................................10
1.1.1. Nguyên lý hiện tượng áp điện .........................................................................10
1.1.2. Ứng dụng của vật liệu áp điện ........................................................................12
1.2. Phân loại vật liệu áp điện ...................................................................................15
1.2.1. Vật liệu áp điện chứa chì và tác hại của nó ....................................................15
1.2.2. Một số vật liệu áp điện không chì ...................................................................17
1.3. Các phương pháp khảo sát đặc tính vật liệu áp điện ..........................................19
1.3.1. Nguyên lý phân tích cấu trúc từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) ......................19
1.3.2. Nguyên lý phân tích hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử ....................21
1.3.3. Phương pháp phổ UV – VIS khảo sát tính chất quang của vật liệu................22
Chương 2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ..................................................................26
2.1. Thiết kế tổng thể.................................................................................................26
2.2. Một số phương pháp thiết kế mạch nguồn cung cấp cho phần tử áp điện .........27
2.2.1. Mạch dùng IC chuyên dụng MAX 8038 ..........................................................27
2.2.2. Mạch phát xung tam giác dùng tranzitor ........................................................28
2.2.3. Mạch phát xung tam giác dùng opam .............................................................30
2.3. Thiết kế chi tiết bộ nguồn bằng phương pháp sử dụng opam ............................30
2.3.1. Sơ đồ khối tổng quát mạch điện ......................................................................30
2.3.2. Thiết kế mạch nguyên lý. .................................................................................31
2.3.3. Một số linh kiện chính sử dụng trong mạch ....................................................40
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..............................................................47
3.1. Khảo sát bộ nguồn ..............................................................................................47
3.1.1 Sơ đồ đo lường .................................................................................................47
3.1.2. Kết quả khảo sát ..............................................................................................47

2

3.2. Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT .......................................................52
3.2.1. Sơ đồ đo lường ................................................................................................52
3.2.2. Khảo sát phần tử áp điện không chì BNKT ....................................................52
KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................55
PHỤ LỤC .................................................................................................................57

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Sự phân cực trong hiện tượng áp điện. ..................................................... 11
Hình 1.2. Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. .....................................................12
Hình 1.3. Động cơ Piezo truyền sóng siêu âm thẳng. ...............................................14
Hình 1.4. Một người bị nhiễm độc chì. .....................................................................16
Hình 1.5. Ảnh hưởng của kim loại pha tạp tới hằng số áp điện Smax/Emax của vật
liệu gốm nền BNKT. .................................................................................................19
Hình 1.6. Sự tán xạ tia X trên bề mặt tinh thể [3]. ....................................................20
Hình 1.7. Nguyên tắc đo phổ hấp thụ bằng quả cầu tích phân [3]. ...........................23
Hình 1.8. Sự hấp thụ ánh sáng của mẫu đồng nhất [3]. ............................................24
Hình 2.1. Sơ đồ khối khảo sát tính chất phát siêu âm của BNKT.............................26
Hình 2.2. Mạch phát sóng sin điều khiển tần số bằng điện áp ..................................27
dùng IC MAX 8038 [5]. ............................................................................................27
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý khối công suất. [12] .......................................................28
Hình 2.4. Mạch tạo xung vuông và xung tam giác dùng transistor. [12] ..................29
Hình 2.5. Mạch tạo xung tam giác dùng opam. ........................................................30
Hình 2.6. Sơ đồ khối tổng quát mạch điện. ...............................................................31
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng. ...................................................31
Hình 2.8.Mạch tích phân sử dụng bộ khuếch đại thuật toán [13]. ............................32

Hình 2.9.Mạch tích phân với đầu vào bằng không. [14] ..........................................32
Hình 2.10. Mạch tích phân với đầu vào tích cực. .....................................................33
Hình 2.11. Mạch tích phân vào đầu cao tiêu cực. .....................................................33
Hình 2.12. Tín hiệu điện áp đầu ra khi đầu vào tiêu cực. .........................................34
Hình 2.13. Tín hiệu điện áp đầu ra khi đầu vào tích cực ..........................................34
Hình 2.14. Sơ đồ mạch trigger Schmitt.....................................................................35
Hình 2.15. Tín hiệu đầu ra trigger Schmitt và đầu ra mạch tích hợp. .......................35
Hình 2.16. Mạch trigger Schmitt khi thêm chiết áp. [13] .........................................36

4


Hình 2.17. Nguyên lý mạch tạo xung tam giác. ........................................................37
Hình 2.18. Nguyên lý mạch nguồn 5VDC. ...............................................................38
Hình 2.19. Sơ đồ khối vi xử lý và hiển thị. ...............................................................38
Hình 2.20. Sơ đồ mạch khuếch đại công suất. ..........................................................39
Hình 2.21. Sơ đồ mạch nguyên lý tổng thể của bộ nguồn ........................................40
Hình 2.22. IC LM318. ...............................................................................................40
Hình 2.23. Sơ đồ chân LM318. .................................................................................41
Hình 2.24. Vi điều khiển atmga8. .............................................................................42
Hình 2.25. Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển. ........................................43
Hình 2.26. Sơ đồ mạch in của bộ nguồn. ..................................................................44
Hình 2.27. Bộ nguồn đã hoàn thành..........................................................................45
Hình 2.28. Mặt sau của bộ nguồn .............................................................................45
Hình 2.28 mô tả mặt sau của bộ nguồn. Ở mặt sau, bộ nguồn có ổ cung cấp điện và
đầu ra nguồn khi chưa qua biến áp............................................................................45
Hình 2.29. Bên trong của bộ nguồn. .........................................................................46
Hình 3.1.Sơ đồ kiểm tra bộ nguồn. ...........................................................................47
Hình 3.2. f = 716 Hz, A = 10 V. .................................................................................48
Hình 3.3. f=58 Khz, A=11 V. ....................................................................................48

Hình 3.4. f=715 Hz, A=80 V. ....................................................................................49
Hình 3.5. f=60 KHz, A=42 V. ...................................................................................49
Hình 3.6. f=18 Khz, A=98V .....................................................................................50
Hình 3.7. A=108 V, f=62 khz. ..................................................................................50
Hình 3.8. f=35 Khz, Amax = 131 V. ............................................................................51
Hình 3.9. LCD hiển thị các giá trị điện áp và tần số. ................................................51
Hình 3.10. Sơ đồ mạch khảo sát BNKT. ...................................................................52
Hình 3.11. Khi chưa lắp vào mạch nguồn, cường độ âm là 51,2 dB. .......................53
Hình 3.12. Khi mạch nguồn sử dụng biến áp thường, cường độ âm là 58.4 dB.......53
Hình 3.13. Khi mạch nguồn sử dụng biến áp xung, cường độ âm là 59,0 dB. .........53

5


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 3.1. Bảng giá trị cường độ âm của vật liệu BNKT. .........................................52

6


DANH MỤC KÝ TỰ VIẾT TẮT
1. PZT

: Pb(Zr,Ti)O3

2. PMN-PT : Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3
3. BNKT : Bi0.5(Na,K)0.5TiO3
4. KNN

: KxNa1-xNbO3

5. XRD

: giản đồ nhiễu xạ tia X

6. SEM

:Kính hiển vi điện tử quét

7. TEM

: Kính hiển vi điện tử truyền qua

7


MỞ ĐẦU
Vật liệu gốm áp điện có thành phần chì như Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) hay
Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) được sử dụng rộng rãi trong các linh điện cảm
biến cũng như các bộ phận chấp hành [10]. Tuy nhiên, nguyên tố chì ảnh hưởng tới
môi trường và sức khỏe của con người khi chúng bay hơi trong quá trình chế tạo
cũng như quá trình xử lý các linh kiện điện tử rác thải [18]. Mặc dù sự độc hại của
nguyên tố chì đã được nghiên cứu và thừa nhận, tuy nhiên, vật liệu đó vẫn được sử
dụng rộng rãi do các đặc tính ưu việt của nó mang lại như tính độ phân cực điện
môi cao, biến dạng mạnh dưới tác dụng của điện trường, hằng số điện môi lớn v.v.,
mà chưa có vật liệu thân thiện với môi trường có được. Gần đây, việc phát hiện ra
một số vật liệu áp điện không chứa chì, thân thiện với môi trường và con người đã
được công bố, trong số các vật liệu đó thì vật liệu nền Bi0.5Na0.5TiO3 rất được chú
trọng quan tâm nghiên cứu [18,9]. Trong số các vật liệu gốm áp điện không chì thì

vật liệu được quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ do có các đặc trưng áp điện có thể so
sánh được với họ vật liệu PZT.
Vì những lý do trên cùng với trang thiết bị hiện có, tôi chọn đề tài nghiên cứu
cho luận văn Thạc sĩ là: “Nghiên cứu, xây dựng hệ đo khảo sát đặc tính của
phần từ áp điện không chì”.
Mục đích của đề tài
1. Chế tạo một hệ đo để khảo sát phần tử áp điện không chì. Theo yêu cầu đặt
hàng của bên Vật lý, hệ đo là một bộ nguồn đạt các tiêu chuẩn sau:
- Tiêu chuẩn 1: Bộ nguồn xoay chiều phát xung tam giác.
- Tiêu chuẩn 2: Điện áp từ 0 V đến 130 V có thể thay đổi được.
- Tiêu chuẩn 3: Tần số từ 0 KHz đến 60 KHz có thể thay đổi được.
- Tiêu chuẩn 4: Bộ nguồn có 2 sự lựa chọn loại biến áp tăng áp:
+ Biến áp thường lõi sắt từ.
+ Biến áp xung lõi Ferit.
- Tiêu chuẩn 5: Bộ nguồn phải có LCD hiển thị các giá trị điện áp và tần số.
2. Khảo sát đặc tính của phần tử áp điện không chì BNKT.
8


Phương pháp thực hiện luận văn
Luận văn được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực
nghiệm.
1. Nghiên cứu lý thuyết
-

Nguyên lý hiện tượng áp điện, ứng dụng và ảnh hướng của vật liệu áp
điện chứa chì.

-

Vật liệu áp điện không chì BNKT và các phương pháp khảo sát đặc tính
của vật liệu áp điện.

-

Các phương pháp chế tạo bộ nguồn.

2. Thực nghiệm
-

Chế tạo bộ nguồn bằng phương pháp sử dụng Opam và khảo sát đặc tính
của phần từ áp điện không chì BNKT.

Phạm vi triển khai
Khảo sát về mặt định tính hiệu ứng áp điện nghịch, đặc tính dao động, phát sóng
âm của phần tử áp điện không chì BNKT.
Luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan
-

Nguyên lý hiện tượng áp điện, ứng dụng của vật liệu áp điện.

-

Ảnh hưởng của vật liệu áp điện chứa chì tới sức khỏe con người và môi
trường.

-

Một số vật liệu áp điện không chứa chì.

-

Các phương pháp khảo sát đặc tính của vật liệu áp điện.

Chương 2. Thiết kế và chế tạo
-

Sơ đồ khối của hệ đo.

-

Các phương pháp chế tạo bộ nguồn.

-

Chế tạo bộ nguồn bằng phương pháp sử dụng Opam.

Chương 3. Kết quả và thảo luận
-

Khảo sát, đánh giá bộ nguồn.

-

Khảo sát đặc tính phát sóng âm của phần tử áp điện không chì BNKT.

9

Chương 1. TỔNG QUAN
Vật liệu áp điện hiện nay ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi
trong thực tế. Đa số vật liệu áp điện đều chứa nguyên tố Chì, gây ảnh hưởng xấu
đến sức khỏe con người và môi trường. Vấn đề cấp thiết đặt ra là phải nghiên cứu,
chế tạo ra một loại vật liệu áp điện không chì, thân thiện với môi trường mà vẫn có
những đặc tính tương tự vật liệu chứa chì.
1.1. Nguyên lý và ứng dụng của vật liệu áp điện
1.1.1. Nguyên lý hiện tượng áp điện
Hiện tượng áp điện được đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được
Pierre Curie và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880. Hiện
tượng xảy ra như sau: người ta khảo sát một loại chất có tính chất hóa học gần
giống gốm (ceramic). Khi áp vào nó một điện trường thì nó biến đổi hình dạng và
ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì giữa hai bề mặt của vật liệu có
xuất hiện sự chênh lệch điện áp. Nếu nối hai mặt của vật liệu đó với một mạch điện
thì thấy có dòng điện chạy trong mạch. Nó như một máy biến đổi trực tiếp điện
năng thành cơ năng và ngược lại. Theo chiều hướng thuận là tác dụng lực lên vật thì
sẽ sinh ra điện và theo chiều hướng nghịch là tác động hiệu điện thế vào vật thì sẽ
sinh ra công làm biến dạng vật. Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb,
zorconi Zr, titan Ti) sẽ có tính chất áp điện. Sự phân cực của vật liệu áp điện được
minh họa như trong hình 1.1.

10


Hình 1.1. Sự phân cực trong hiện tượng áp điện.
Khi nén một tấm tinh thể thạch anh, đã gây ra sự tạo thành điện tích trên các
mặt vuông góc với hướng nén: điện tích dương trên mặt này và điện tích âm trên
mặt kia. Khi kéo phiến tinh thể cũng xảy ra sự tạo thành các điện tích, nhưng nếu
điện tích trên một mặt nào đó khi nén là âm, thì điện tích trên mặt đó khi kéo lại là
dương và ngược lại.

Có hai hiệu ứng áp điện, hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch.
Hiệu ứng áp điện thuận xuất hiện trong trường hợp, khi biến dạng đàn hồi của vật
rắn xảy ra kèm theo sự xê dịch phi đối xứng phân bố các điện tích dương và âm, các
ngẫu cực hay các nhóm ngẫu cực song song trong cấu tạo của vật rắn, tức là làm
xuất hiện mômen lưỡng cực chung, hay vật rắn bị phân cực. Hiệu ứng áp điện
nghịch xuất hiện trong trường hợp, khi điện trường bên ngoài gây ra sự phân bố
lệch các điện tích, các ngẫu cực gây ra sự xê dịch hình học, xuất hiện dưới dạng các
biến dạng cơ học (hình 1.2).

11


Hình 1.2. Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch.
Hiệu ứng áp điện thuận trong quá trình nén và kéo mẫu của vật liệu áp điện,
diễn ra sự tạo thành các điện tích trái dấu trên các mặt tương ứng của mẫu. Trong
hiệu ứng áp điện nghịch, khi tạo ra sự chênh lệch điện thế đối với mẫu của vật
liệu áp điện gây ra biến dạng ∆h, đối lập với hiệu ứng áp điện thuận, trong đó biến
dạng ∆h tạo ra sự chênh lệch các điện tích (hình 1.2).
1.1.2. Ứng dụng của vật liệu áp điện
Ngày nay vật liệu áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục
vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển
góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ. Hiện
nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập
cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu
âm thanh, các cấu trúc thông minh. Một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay
trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo. Người ta đã tìm ra được hai loại vật liệu
piezo cơ bản đó là dạng cục (như gốm) ceramic và tấm mỏng như tấm film. Các
phương pháp số dùng để tính toán cho loại vật liệu này cũng đã được nghiên cứu
khắp nơi trên thế giới. Một số ứng dụng của gốm áp điện:
12

-

Đầu dò siêu âm
Đầu dò siêu âm chế tạo thiết bị tìm kiếm tàu ngầm, tìm kiếm cá, dò độ sâu sông
biển, dò khuyết tật trong kim loại và bê tông, ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực
quân sự, máy liên lạc trong các tàu ngầm, máy phát điện và xác định tọa độ của các
phương tiện đi lại trong nước. Đầu dò siêu âm rất hữu ích trong ngành điện tử y tế.
Nó giúp 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 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. Siêu âm có thể nhìn thấy bên trong cơ thể con người mà không can
thiệp vào da.

-

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. Nó 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.

-

Động cơ piezo
Động cơ piezo: được làm bằng piezoceramics 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. Hình 1.3
mô tả loại động cơ piezo truyền sóng siêu âm thẳng.

13


Hình 1.3. Động cơ Piezo truyền sóng siêu âm thẳng.
Động cơ Piezo có nhiều loại, một trong những loại quan trọng và được ứng dụng
phổ biến nhất là động cơ siêu âm. Động cơ Piezo 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. Còn động cơ piezo lợi dụng tính chất biến đổi hình dạng vật liệu khi áp điện
vào stator để biến năng lượng điện thành sóng cơ học đẩy rotor chạy mà không
thông qua từ như loại động cơ truyền thống.
Ưu điểm của động cơ Piezo:
+ Không làm nhiễu dòng điện trong các mạch điện tử, từ đó gây nên sự không
chính xác của hệ thống vì không tạo nên từ trường trong khi hoạt động.
+ Không gây hư hỏng lặt vặt, rất bền. Chỉ hỏng khi vật liệu mòn, có cấu tạo
đơn giản ít bộ phận (chỉ có rotor và stator đẩy nhau, không có chổi quét, không có
cuộn dây, nên không bị cháy dây).

14


+ Hoạt động rất chính xác, ví dụ ta muốn cho nó quay nửa vòng thì nó quay
đúng 180 độ là ngừng lại, điều này rất khó khăn và cần nhiều bộ phận phức tạp với
động cơ truyền thống thì mới làm được điều này.
+ Khi ngừng lại không cần năng lượng để giữ đúng vị trí dừng. Điều này rất có
ý nghĩa trong chế tạo và tự động.
+ Không gây ồn. Đây là chức năng tuyệt vời của động cơ piezo.
+ Có thể chế tạo với kích thước rất nhỏ tùy ý, điều này cho phép nó vượt xa
loại động cơ truyền thống về yêu cầu kích thước nhỏ phù hợp với các ứng dụng.
+ Hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ truyền thống, không mất năng lượng
cho việc làm nóng các cuộn dây, chổi quét và lõi thép.
+ Có thể điều chỉnh ngược, xuôi với tốc độ tùy thích
+ Khối lượng nhẹ hơn nhiều so với loại động cơ truyền thống cùng công suất.
+ Không nguy hiểm vì không có cháy nổ chập điện trong loại động cơ này, nó
chỉ gồm một đĩa có khả năng tạo sóng cơ học đẩy đĩa kia xoay tròn.
1.2. Phân loại vật liệu áp điện
Có hai loại vật liệu áp điện:
- Vật liệu áp điện chứa chì.
- Vật liệu áp điện không chứa chì.
1.2.1. Vật liệu áp điện chứa chì và tác hại của nó
Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố chì Pb, zorconi Zr, titan Ti (PZT) sẽ có tính
chất áp điện.Vật liệu áp điện có chứa nguyên tố chì gây ra tác hại lớn đối với sức
khỏe con người và môi trường.
Với sức khỏe con người: Chì vô cùng độc hại đối với cơ thể người. Trong hình
1.4 [2] là Ông Huang Guiqiang, làng Sanhecun, Đại Tân, Quảng Tây, Trung Quốc
giơ hai cánh tay với những khối sưng phồng bất thường vì nhiễm độc chì.

15

Hình 1.4. Một người bị nhiễm độc chì.
Chì tích tụ ở xương, cản trở chuyển hóa Canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển
hóa vitamin D, gây độc cả cơ quan thần kinh trung ương lẫn thần kinh ngoại biên.
Đặc biệt, chì gây tác động mãn tính tới phát triển trí tuệ, ngộ độc chì còn gây ra biến
chứng viêm não ở trẻ em. Chì tác động lên hệ thống enzyme vận chuyển hiđro gây
nên một số rối loạn cơ thể, trong đó chủ yếu là rối loạn bộ phận tạo huyết (tủy
xương). Tùy theo mức độ nhiễm độc có thể gây ra những tai biến, nếu nặng có thể
gây tử vong.Với những phụ nữ có thai thường xuyên tiếp xúc với chì khả năng sẩy
thai hoặc thai nhi chết sau khi sinh là rất lớn. Chì có tác động rất độc hại cho cơ thể
con người và có thể gây ra một số bệnh kinh niên, mãn tính, ví dụ như bệnh thận
hay bệnh thần kinh.
Với môi trường: Lượng chì được sử dụng trong công nghiệp đứng thứ năm sau
Fe, Cu, AI, Zn [4]. Lượng chì tiêu thụ trên thế giới ngày một tăng dẫn đến lượng chì
thải ra môi trường ngày càng lớn. Khoảng 95% tổng lượng phát xạ của các hợp chất
chì đi vào khí quyển là do hoạt động nhân tạo [1]. Chì phát tán vào môi trường theo
đất, nước, không khí và xâm nhập vào cơ thể người thông qua ba đường: hô hấp,

16


tiêu hóa và da. Sau khi vào cơ thể, chì có thể gây tác hại đến hệ thống tạo huyết, hệ
thần kinh, thận, hệ tiêu hóa, bộ máy tim mạch.
1.2.2. Một số vật liệu áp điện không chì
a. KxNa1-xNbO3 (KNN)
Hệ gốm áp điện không chì trên nền KxNa1-xNbO3 (KNN) là một dung dịch rắn
của chất sắt điện KNbO3 và chất phản sắt điện NaNbO3 với nhiều hứa hẹn bởi tính
chất áp điện của nó tương đối cao [14]. Tuy nhiên, khả năng thiêu kết của sản phẩm
này thì khó khăn vì sự nhanh bốc hơi của các thành phần nguyên tố kiềm ở nhiệt độ

cao. Để cải thiện khả năng thiêu kết và các tính chất áp điện của gốm KNN, rất
nhiều vật liệu khác nhau đã được sử dụng để pha tạp cho nó hoặc để thay thế các
thành phần chính, chẳng hạn như: KNN-Ba, KNN-SrTiO3, KNN-LiNbO3 , KNNLiTaO3 và KNN tinh khiết thiêu kết cùng các tạp như CuO, ZnO và Bi2O3.
b. Barium titanate BaTiO3
Trong số các vật liệu sắt điện, barium titanate BaTiO3 là vật liệu có hằng số điện
môi lớn. BaTiO3 đã và đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên
cứu vì bên cạnh các tính chất thú vị trên, chúng còn được sử dụng trong các ngành
công nghiệp điện, điện tử. Một số ứng dụng đáng chú ý của vật liệu BaTiO3 như
dùng làm tụ điện trong các bộ nhớ máy tính, chế tạo tụ điện gốm đa lớp MLC
(Multilayer Ceramic 2Capacitor) hay MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor),
làm các cảm biến [9,11]…
c. Vật liệu Bi0.5(Na,K)0.5TiO3 (BNKT) và tính chất
Trong số các vật liệu gốm áp điện không chì thì vật liệu Bi0.5(Na,K)0.5TiO3
(BNKT) được quan tâm nghiên cứu phát triển mạnh do có các đặc trưng áp điện có
thể so sánh được với họ vật liệu PZT, đặc biệt là tại vùng biên pha hình thái học,
nơi tồn tại đồng thời cả hai cấu trúc rhombohedral và tetragonal [8]. BNKT có chất
sắt điện, tính chất áp điện cũng như hằng số điện môi cao. Nguồn gốc của hệ số
biến dạng lớn của vật liệu áp điện được tìm thấy tại biên pha hình thái do sự thay
đổi tinh thể từ pha tứ giác sang pha hình thoi hoặc do sự lắng đọng pha lập phương
hay do cơ chế quay domain. Đặc trưng áp điện tốt của gốm áp điện không chì được

17


quan sát gần biên pha hình thái (MPB) với hợp phần giữa cấu trúc hình thoi và cấu
trúc tứ giác, và hệ số ghép điện cơ lớn nhất, hằng số áp điện tương ứng là 0.56 cho
Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3 và 157 pC/N đối với Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3. Người ta cho
rằng Bi0.5(Na0.7K0.3)0.5TiO3 là hợp phần thích hợp cho các ứng dụng chấp hành
không chì do hằng số áp điện của nó tương đối cao cỡ 126 pC/N, hằng số biến dạng
áp điện khoảng 214 pm/V. Các phần tử tạp chất hoặc các pha ABO3 thứ hai có vai

trò như một dung dịch rắn làm thay đổi cấu trúc tinh thể, tạo ra các lỗ trống dẫn đến
cải thiện tính chất áp điện. Bên cạnh đó, tính chất áp điện của vật liệu gốm BNKT
được cải thiện một cách đáng kể khi pha tạp một hàm lượng nhỏ các nguyên tố vào
vị trí A- hoặc B- hoặc đồng thời vào cả vị trí A- và B- trong cấu trúc perovskite
dạng ABO3. Theo Hussain, khi thay thế một hàm lượng nhỏ ions Zr4+ vào vị trí của
ions Ti4+ thì hệ số áp điện Smax/Emax có thể tăng cường tới 614 pm/V, có thể so sánh
được với giá trị của gốm PZT [16].
Trong đó: Smax : giá trị biến dạng cực đại của vật liệu đo bằng picomet (pm).
Emax : giá trị điện trường cực đại tác dụng lên vật liệu đo bằng Vôn (V).
Hệ số áp địện đánh giá khả năng tạo dạo động của vật liệu. Vật liệu có hệ số áp
điện càng lớn thì khả năng tạo dao động càng lớn. Khi thay thế ions kim loại đất
hiếm La3+ và Sm3+ vào vị trí của ions Bi3+ ở vị trí A trong cấu trúc perovskite của
vật liệu gốm BNKT cũng làm tăng cường tính chất áp điện của vật liệu [6,19]. Gần
đây, khi đồng pha tạp Li và Sn vào vật liệu gốm BNKT có thể tăng cường hệ số
Smax/Emax tới 646 pm/V [17]. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của một số kim loại pha tạp
cũng như dung dịch rắn của một số pha cấu trúc perovskite A’B’O3 với BNKT được
trình bày trên hình 1.5. Kết quả chỉ ra rằng tỷ số Smax/Emax cao nhất thu được cho vật
liệu gốm với thành phần 0.975Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5TiO3-0.025LiTaO3. Giá trị đó cỡ
727pm/V có thể so sánh được với vật liệu gốm áp điện PZT [18].

18


Hình 1.5. Ảnh hưởng của kim loại pha tạp tới hằng số áp điện Smax/Emax của vật
liệu gốm nền BNKT.
1.3. Các phương pháp khảo sát đặc tính vật liệu áp điện
1.3.1. Nguyên lý phân tích cấu trúc từ giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X cung cấp các thông tin về thành phần pha, cấu trúc
vật liệu. Nó còn cho phép phân tích bán định lượng đối với kích thước và hàm
lượng các chất có trong vật liệu. Sơ đồ của phương pháp này được mô tả trên hình

1.6.
Khi chiếu chùm tia X vào tinh thể, sóng điện từ của tia X sẽ tương tác với các
nguyên tử nằm trong mạng tinh thể. Đây là tương tác đàn hồi, các nguyên tử tại nút
mạng dao động cùng tần số với tần số tia X và tạo nên các sóng cầu. Các sóng cầu
làn truyền và giao thoa với nhau có những phương sóng triệt tiêu nhau và có những
phương sóng tăng cường lẫn nhau tạo ra cực đại giao thoa. Nếu gọi góc tới của tia X
với mặt phẳng tinh thể là thì cực đại giao thoa chỉ xảy ra khi phương trình Bragg
được thỏa mãn:
2dsin = n

(1.1)

19


Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, dựa trên các vị trí cực đại giao thoa, theo phương
trình Bragg sẽ tính được khoảng cách giữa các mặt phẳng dhkl của các họ mặt phẳng.
Nhờ mối quan hệ của dhkl với các hằng số mạng sẽ xác định được kiểu ô mạng cơ
sở, các thông số mạng.

Hình 1.6. Sự tán xạ tia X trên bề mặt tinh thể [3].
Trong nhiễu xạ tia X, một chùm điện tử được tăng tốc trong điện trường và đập
vào đối catot để phát tia X. Phổ phát xạ tia X của đối catot là một dải có các vạch
đặc trưng. Một vạch đặc trưng sẽ được tách ra bằng kính lọc và tia X thu được là tia
đơn sắc. Chùm tia X đơn sắc này được hội tụ, tạo chùm song song và chiếu vào
mẫu. Mẫu được đặt trên giá là vòng tròn nhiễu xạ kế, mẫu và giá này có thể quay
quanh trục của nó trong phạm vi những góc xác định. Máy đếm (detector) ghi nhận
tia nhiễu xạ được kết nối với giá đựng mẫu bằng một hệ thống cơ khí chính xác sao
cho chuyển động của chúng đồng bộ với nhau để detector có thể ghi nhận được tất
cả các tia nhiễu xạ dưới các góc khác nhau. Hình ảnh nhiễu xạ được trình bày dưới

dạng một nhiễu xạ đồ và được gọi là giản đồ nhiễu xạ. Giản đồ nhiễu xạ này được
so sánh với thư viện các phổ chuẩn để xác định các pha có trong mẫu, cấu trúc và tỉ
phần pha. Một số công thức áp dụng để tính hằng số mạng:
-

Hệ lập phương (a=b=c)

1 h2  k 2  l 2

d2
a2
-

Hệ trực giao:

20

(1.2)


-

1 h2 k 2 l 2

 
d 2 a 2 b2 c2

(1.3)

1 h2  k 2 l 2


 2
d2
a2
c

(1.4)

Hệ tứ giác:

-

Hệ lục giác:

1

d2

a
4 2 2
a2
(h  k  hk )  l 2 2
3
c

(1.5)

Người ta sử dụng phương pháp nhiễu xa tia X (XRD) để khảo sát cấu trúc của
vật liệu.
1.3.2. Nguyên lý phân tích hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử

(FE – SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Là thiết bị có khả năng chụp ảnh bề mặt với độ phân giải cao hơn so với kính
hiển vi quang học. Với các mẫu có kích thước từ vài chục nm đến m, thiết bị này
được xem như một lựa chọn hữu hiệu trong việc xác định hình thái bề mặt và kích
thước hạt. Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét là sử dụng một nguồn
phát ra chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu cần quan sát, thu nhận tín hiệu từ chùm
điện tử phản xạ từ đó cho ta hình ảnh về mẫu. Kích thước của chùm điện tử thông
thường khoảng từ 10 – 20 nm, kích thước này sẽ xác định độ phân giải của ảnh thu
được. Có hai dạng nguồn phát xạ là cực phát xạ nhiệt và cực phát xạ trường, hai loại
này là nguyên nhân tạo ra sự khác biệt giữa kính hiển vi điện từ quét SEM và FESEM.
Ảnh SEM phải được chụp trong môi trường chân không cao và mẫu phân tích
phải dẫn điện. Nếu mẫu không dẫn điện thì phải phủ thêm một lớp dẫn điện mỏng
(thường là Au, Pt hoặc Cu) để tránh sự tích điện trên bề mặt mẫu.
Kính hiển vi điện tử truyền qua

21


Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là một thiết bị thường được dùng để xác
định hình dạng, kích thước các hạt có đường kính vài nm. Trong thiết bị này người
ta tạo ra chum điện tử có năng lượng lớn do được gia tốc ở điện thế cao trước khi nó
được chiếu vào mẫu và đi xuyên qua mẫu. Hình ảnh được chụp sau khi chum điện
tử xuyên qua mẫu cho ta những thông tin về hình dạng và kích thước hạt. Nhược
điểm của TEM so với SEM là nó không cho được sự hội tụ vào chiều sâu của mẫu
nên không quan sát được hình ảnh 3 chiều của mẫu, tuy nhiên độ phân giải của
TEM thì cao hơn đáng kể so với SEM.
Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) được dùng để khảo sát cấu trúc hình thái
học và độ xếp chặt của vật liệu.
1.3.3. Phương pháp phổ UV – VIS khảo sát tính chất quang của vật liệu

Phép đo phổ hấp thụ là một phương pháp dùng để nghiên cứu các tính chất
quang của vật liệu. Thông qua phổ hấp thụ ta có thể thu được các thông tin như độ
rộng vùng cấm, các chuyển dời quang học, trong tinh thể, từ đó ta biết được vật liệu
là chất điện môi, chất bán dẫn, kim loại hay á kim.
1.3.3.1. Mẫu bột
Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ đối với mẫu bột: Quả cầu tích phân có
dạng hình cầu, mặt trong được bọc một lớp có hệ số phản xạ là 100%. Nguyên tắc
phương pháp đo phổ hấp thụ bằng quả cầu tích phân được trình bày như hình 1.7

22


Bức xạ tới
Baseline

Detector

(a)

Đo baseline

Bức xạ tới
Mẫu

Detector

(b) Đo mẫu
Hình 1.7. Nguyên tắc đo phổ hấp thụ bằng quả cầu tích phân [3].
Đối với các mẫu có bề mặt không phẳng như mẫu bột, phản xạ tại bề mặt là phản xạ
tán xạ (diffuse reflection). Quả cầu tích phân có tác dụng tập trung các tia sáng

được phản xạ từ mẫu và thu lại ở detector.
1.3.3.2. Mẫu lỏng

23


Trường hợp mẫu lỏng (hình 1.8), phép đo phổ hấp thụ ánh sáng dựa trên sự so
sánh giữa cường độ của ánh sáng tới và cường độ ánh sáng khi qua mẫu. Trong môi
trường đồng nhất, sự hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Beer-Lambert:
I(ν) = I0(ν)e-α(ν)d

(1.6)

Trong đó:
-

I0(ν): là cường độ ánh sáng truyền tới mẫu

-

I(ν): là cường độ ánh sáng truyền qua mẫu

-

α(ν): là hệ số hấp thụ của mẫu

-

d: là độ dày của mẫu

I0(ν)

I(ν)

d

Hình 1.8. Sự hấp thụ ánh sáng của mẫu đồng nhất [3].
Nếu ánh sáng bị hấp thụ bởi các phân tử, ion hay các tâm quang nào đó trong
mẫu vật rắn thì hệ số hấp thụ α(ν) được đặc trưng cho nhiều quá trình hấp thụ xảy ra
đồng thời trong mẫu, trên các tâm khác nhau. Mặc dù độ truyền qua I(ν)/ I0(ν) của
mẫu là một tham số có thể được xác định trực tiếp bằng thực nghiệm nhưng phổ hấp
thụ thường được biểu diễn bởi độ hấp thụ A được định nghĩa bởi:
Khi đó

A = lg[I0(ν)/ I(ν)]

(1.7)

α(ν)d = ln[I0(ν)/ I(ν)]

(1.8)

Phép đo phổ hấp thụ thực hiện trong vùng phổ nào thì nguồn sáng phải có bức
xạ liên tục trong vùng đó và máy đơn sắc lọc lựa được bước sóng hoặc tần số trong
vùng đó. Tính chất quang của vật liệu được khảo sát bằng phổ UV-Vis.

24


Như vậy, Trong số những loại vật liệu áp điện không Chì thì BNKT được

đánh giá là vật liệu tốt nhất, có ưu điểm tương đương với vật liệu áp điện truyền
thống chứa chì. Trong số các đặc tính của vật liệu áp điện, thì hệ số áp điện
Smax/Emax là quan trọng nhất và được quan tâm hơn cả. Để thuận lợi cho việc nghiên
cứu vật liệu BNKT nói riêng và vật liệu áp điện nói chung, theo yêu cầu của bên
Vật lý, tôi sẽ xây dựng một hệ đo để khảo sát về mặt định tính hiệu ứng áp điện
nghịch của vật liệu BNKT. Cụ thể, đó là khả năng tạo dao động sóng âm của vật
liệu áp điện không chì BNKT. Hệ đo cần chế tạo là một bộ nguồn phải thỏa mãn các
tiêu chuẩn sau:
-

Tiêu chuẩn 1: Bộ nguồn xoay chiều phát xung tam giác.

-

Tiêu chuẩn 2: Điện áp từ 0 V đến 130 V có thể thay đổi được.

-

Tiêu chuẩn 3: Tần số từ 0 KHz đến 60 KHz có thể thay đổi được.

-

Tiêu chuẩn 4: Bộ nguồn có 2 sự lựa chọn loại biến áp tăng áp:
+ Biến áp thường lõi sắt từ.
+ Biến áp xung lõi Ferit.

-

Tiêu chuẩn 5: Bộ nguồn phải có LCD hiển thị các giá trị điện áp và tần số.

25