Nghiên cứu chế tạo thiết bị siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu tio2 cấu trúc nanô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC HUẾ
  

LÊ QUANG TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT
ĐỂ TỔNG HỢP VẬT LIỆU TiO2 CẤU TRÚC NANÔ
Chuyên ngành
Mã số

: Vật lý chất rắn
: 62.44.01.04

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. TRƯƠNG VĂN CHƯƠNG
2. TS. ĐẶNG XUÂN VINH

Huế - 2014
i


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành tại khoa Vật Lý - Trường Đại học Khoa học Đại Học Huế sau nhiều năm miệt mài nghiên cứu của tác giả.
Tác giả xin bày tỏ lời biết ơn trân trọng nhất đến Thầy giáo TS. Trương Văn
Chương đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, động viên và hỗ trợ một phần kinh phí
trong quá trình thực hiện luận án. Trân trọng cám ơn cảm ơn Thầy giáo TS. Đặng
Xuân Vinh, các đồng nghiệp cùng công tác ở trường Đại học Khoa học, các thầy cô
giáo Khoa Vật lý trường Đại Học Khoa học Huế đã cổ vũ, động viên giúp đỡ trong

những năm qua. Xin chân thành cảm ơn các nghiên cứu sinh, các học viên cao học
cùng tham gia làm việc tại phòng thí nghiệm Vật lý Chất rắn đã cổ vũ và giúp đỡ
trong thời gian làm luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Khoa học đã tạo
điều kiện thuận lợi để tác giả thực hiện luận án trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tác giả xin cám ơn sự động viên, giúp đỡ và sự cảm thông sâu sắc
của gia đình, vợ con của tác giả.
Tác giả

Lê Quang Tiến Dũng

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, đã thực hiện tại
Trường Đại Học Khoa học – Đại học Huế dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Văn
Chương. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng công bố
trong bất cứ công trình nào khác.

Tác giả

Lê Quang Tiến Dũng

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
C

tụ điện.

d31
dijk
d

hệ số áp điện.
các thành phần của hệ số áp điện.
bề dày.
trường điện kháng.

Ec
kp, kt
Np, N t
Ps
Pr
PT
PZT
PMN
PLZT
PZT-PMN

hệ số liên kết điện cơ theo phương bán kính và chiều dày.
hằng số tần số của dao động phương bán kính, chiều dày.
phân cực tự phát.
phân cực dư.

PbTiO3
Pb(Zr,Ti)O3

Pb (Mg1/3Nb2/3)O3
(Pb,La)(Zr,Ti)O3
Pb(Zr,Ti)O3 - Pb (Mg1/3Nb2/3)O3
hệ số phẩm chất cơ học.
Qm
R
điện trở.
T
nhiệt độ.
Tc
nhiệt độ Curie.
V
hiệu điện thế.
W
công suất.
ε
hằng số điện môi.
ρ
mật độ gốm.
kl
khối lượng
FESEM
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (field emisson
scanning electron microscope)
hγ
Photon có năng lượng hγ
SEM
Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope)
TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron

microscope)
HR-TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao
UV
Bức xạ tử ngoại (ultra violet radiation)
XRD
Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)

iv


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN TỬ GỐM ÁP ĐIỆN....................5
1.1. Bài toán truyền sóng âm trong môi trường áp điện............................................. 5
1.1.1 Cấu tạo của biến tử ghép kiểu Langevin..........................................................5
1.1. 2 Bài toán truyền sóng trong thanh áp điện phân cực theo chiều dài, dao động
theo chiều dài............................................................................................................6
1.2. Mạch điện tương đương Mason.......................................................................... 8
1.3 Cơ sở thiết kế biến tử áp điện kiểu Langevin.................................................... 15
1.3.1. Ưu điểm của biến tử ghép............................................................................. 15
1.3.2. Cải thiện mật độ bức xạ và dải thông............................................................................. 19
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 NANÔ.................................22
2.1. Giới thiệu về TiO2............................................................................................ 22
2.2. Cơ chế xử lý nước và không khí bằng quang xúc tác....................................... 23
2.2.1. Những nguyên lý cơ bản............................................................................... 24
2.2.1.1. Vai trò của photon kích thích, sự chuyển dời điện tử và hấp thụ................24
2.2.1.2. Sự ảnh hưởng của các nhân tố đến phản ứng quang xúc tác.......................27
2.2.1.3. Những ưu điểm và hạn chế khi sử dụng TiO2 làm chất quang xúc tác.......27
2.2.1.4. Ảnh hưởng của cấu trúc và vi cấu trúc của TiO2 đến phản ứng quang xúc tác ..28

2.2.3. Các dạng biến thể của TiO2........................................................................... 30
2.2.4.Ứng dụng của TiO2 kích thước nanô.............................................................. 32
2.3. Tình hình nghiên cứu TiO2 kích thước nanô.................................................... 34
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ
HỆ VẬT LIỆU GỐM PZT(51/49) – 0,4 % kl MnO2 PHA TẠP ZnO................36
3.1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật lý của gốm PZT(51/49) – 0,4 % kl MnO 2
pha tạp ZnO............................................................................................................. 36
3.1.1. Chế tạo gốm bằng phương pháp truyền thống............................................... 38
3.1.2 Sự phụ thuộc của các thông số điện, điện môi, khối lượng riêng vào nhiệt độ thiêu

kết và hàm lượng pha tạp........................................................................................ 39

v


3.1.3. Cấu trúc và vi cấu trúc của gốm.................................................................... 41
3.1.3.1. Cấu trúc...................................................................................................... 41
3.1.3.2. Vi cấu trúc.................................................................................................. 43
3.1.4. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ........................................... 44
3.1.5. Đặc tính trễ sắt điện của vật liệu.................................................................... 46
3.1.6. Nghiên cứu các tính chất áp điện của gốm PZT51/49 – 0,4 % kl MnO2 – 0,15
%kl ZnO.................................................................................................................. 48
3.2. Chế tạo biến tử siêu âm công suất.................................................................... 50
3.2.1 Xác định vận tốc truyền sóng âm trong vật liệu............................................. 50
3.3. Lắp ráp cụm biến tử.......................................................................................... 53
3.4. Nghiên cứu lắp ráp mạch phát siêu âm công suất............................................. 57
3.5. Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát siêu âm công suất cao................................... 58
3.5.1. Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát siêu âm đa tần........................................................ 59
3.5.2. Nghiên cứu chế tạo thiết bị siêu âm tổng hợp vật liệu................................... 60

CHƯƠNG 4. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TiO2
CÓ CẤU TRÚC NANÔ VÀ ỨNG DỤNG........................................................... 63
4.1. Chế tạo vật liệu TiO2 có cấu trúc nanô dạng ống.............................................. 63
4.2 Đặc trưng, tính chất của bột TiO2 tổng hợp bằng phương pháp siêu âm – thủy nhiệt .64

4.2.1. Vi cấu trúc..................................................................................................... 64
4.2.2. Cấu trúc của bột TiO2.................................................................................... 67
4.3. Chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp........................................................................... 70
4.3.1 Chế tạo bột TiO2 nanô pha tạp Fe................................................................... 70
4.3.1.1. Cấu trúc và vi cấu trúc của vật liệu TiO2 nanô pha tạp sắt.......................... 71
4.3.3.2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2 nanô pha tạp sắt.......................74
4.4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2 dạng dung dịch và ứng dụng.......................76
4.4.1 Chế tạo dung dịch TiO2.................................................................................. 77
4.4.2. Tính chất quang và quang xúc tác của dung dịch TiO2.................................. 77
4.4.2.1.Phổ truyền qua của dung dịch TiO2............................................................. 77
4.4.2.2. Tính chất quang xúc tác của dung dịch TiO2.............................................. 78

vi


4.5. Chế tạo màng TiO2 nanô.................................................................................. 79
4.5.1 Chế tạo màng TiO2 bằng phương pháp phun tĩnh điện................................... 79
4.5.2. Chế tạo màng TiO2 trên gạch men................................................................. 82
4.6. Chế tạo vật liệu PZT51/49 – 0,4 % kl MnO2 bằng sử dụng nguyên liệu TiO2 nanô 84

4.6.1. Nghiên cứu các tính chất vật lý, cấu trúc và vi cấu........................................ 85
4.6.2. Một số kết quả nghiên cứu tính chất sắt điện và áp điện của hệ gốm PZT51/49
- 0,4 % kl MnO2 sử dụng TiO2 nanô....................................................................... 89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 93
DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN LUẬN ÁN...................................... 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 97

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cấu tạo của biến tử kiểu Langevin............................................................................ 6
Hình 1.2. Mạch điện tương đương của môi trường không áp điện................................ 12
Hình 1.3. Mạch điện tương đương của môi trường áp điện.............................................. 13
Hình 1.4. Mạch tương đương của khối áp điện gồm p bản............................................... 14
Hình 1.5. Mạch tương đương của biến tử áp điện kiểu Langevin.................................. 15
Hình 1.6. Mạch tương đương rút gọn của biến tử Langevin............................................. 15
Hình 1.7. Mô hình chi tiết biến tử Langevin kép.................................................................. 16
Hình 1.8 (a) Biến tử ghép nửa sóng có 2 bản gốm ở giữa giống nhau nhưng khác
các phần ở hai đầu. Các đường cong (b) và (c) chỉ có ý nghĩa nếu
s2hệ liên kết thép - PZT - Mg)

20

Hình 1.9 Sự phụ thuộc của chiều dài khối kim loại li theo tần số làm việc (ω ≈ 1/ lc )
đối với một cặp vòng xuyến có chiều dày lc

21

Hình 1.10. Sự phụ thuộc của độ khuếch đại cường độ siêu âm theo tần số làm việc
( ω ≈ 1/ lc ) đối với một cặp vòng xuyến có chiều dày lc 22
Hình 2.1. Tinh thể anatase: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể...............22
Hình 2.2. Tinh thể Rutil: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể..................22
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình tạo thành cặp điện tử - lỗ trống và sự tạo ra các gốc tự do

và các ion trên bề mặt.

24

Hình 2.4. Ứng dụng của TiO2 kích thước nanô....................................................... 34
Hình 3.1. Quy trình công nghệ chế tạo gốm........................................................... 38
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của tỷ trọng, tổn hao tan δ và hằng số điện môi ε (tại tần số
1kHz) vào nhiệt độ thiêu kết

41

Hình 3.3. Sự phụ thuộc của tỷ trọng, tổn hao tan δ và hằng số điện môi ε (tại tần số
1kHz) vào hàm lượng ZnO 41

viii


Hình 3.4. Phổ nhiễu xạ tia X của PZT51/49 - 0,4 % kl MnO2 pha tạp (a) 0 % kl ZnO,(b)
0

0,15 % kl ZnO và(c) 0.25 % kl ZnO được thiêu kết ở 1000 C..............42
Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu thiêu kết ở nhiệt độ khác nhau:.......................... 43
Hình 3.6. Ảnh SEM của các mẫu tương ứng với các nồng độ ZnO:.......................45
Hình 3.7. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo nhiệt độ...................................45
Hình 3.8. Sự phụ thuộc TC và εmax vào nhiệt độ thiêu kết........................................45
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo nồng độ ZnO...........................45
Hình 3.10. Sự phụ thuộc TC và vào nồng độ ZnO................................................... 45
Hình 3.11. Dạng đường trễ của các mẫu T950, T1000, T1050, T1100...................46
Hình 3.12. Dạng đường trễ của các mẫu T00Z, T15Z, T25Z, T35Z.......................47
Hình 3.13. Sự phụ thuộc của EC và Pr vào nhiệt độ thiêu kết (a), nồng độ ZnO (b) 48

Hình 3.14. Sự phụ thuộc của hệ số áp điện d31 (a) và hệ số liên kết điện cơ kp vào
điện trường phân cực............................................................................. 50
Hình 3.15.. Biến tử áp điện sau khi được chế tạo................................................... 52
Hình 3.16. Phổ cộng hưởng áp điện của biến tử xuyến đã chế tạo..........................53
Hình 3.17. Thiết kế chi tiết biến tử siêu âm của hãng Morgan................................ 53
Hình 3.18. Biến tử ghép đã chế tạo......................................................................... 56
Hình 3.19. Mặt cắt của biến tử ghép....................................................................... 56
Hình 3.20. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) hệ biến tử, (b) biến tử tự do...............56
Hình 3.21. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của máy phát siêu âm...........................57
Hình 3.22. Hai cụm biến tử sau khi gắn vào khay chứa.......................................... 58
Hình 3.23. Thiết bị lúc hoạt động........................................................................... 59
Hình 3.24. Mô hình tổng hợp TiO2 theo phương pháp siêu âm..............................61
Hình 3.25. Thiết bị siêu âm tổng hợp vật liệu đã chế tạo........................................ 61
Hình 4.1. Mô hình tổng hợp TiO2 theo phương pháp siêu âm................................ 63
Hình 4.2. Quy trình chế tạo TiO2 nanô bằng phương pháp siêu âm - thủy nhiệt....63
Hình 4.3. Ảnh SEM của bột TiO2 chưa xử lý......................................................... 64
0

0

Hình 4.4. Ảnh SEM của bột TiO2 nanô. (a) sấy ở 80 C; (b) nung ở 450 C; (c) nung
0

0

ở 600 C; (d) nung ở 800 C.................................................................... 65

ix

0

Hình 4.5. Ảnh HR-TEM của mẫu TiO2 nanô ống sau khi sấy ở 80 C....................65
0

Hình 4.6. Ảnh HR-TEM của mẫu TiO2 nanô ống: nung ở 450 C(a) nung ở
0

600 C(b)

66

Hình 4.7. Ảnh HR-TEM của tinh thể TiO2 theo các hướng [010](b) và [001](c)...67
Hình 4.8. Ảnh nhiễu xạ tia X của bột TiO2 chưa xử lí............................................ 67
0

0

0

Hình 4.9. Ảnh nhiễu xạ của bột TiO2 nanô nung ở 450 C; 600 C; 800 C..............68
Hình 4.10. Kết quả phân tích diện tích bề mặt BET của bột TiO2 nanô..................69
Hình 4.11. Cơ chế hình thành ống nanô TiO2......................................................... 69
Hình 2.12. Ảnh nhiễu xạ tia X của Fe-TiO2 pha tạp 0,1% kl Fe.............................71
Hình 4.13. Ảnh nhiễu xạ tia X của Fe-TiO2 pha tạp 0,15% kl Fe...........................71
Hình 4.14. Ảnh nhiễu xạ tia X của Fe-TiO2 0,2% kl Fe......................................... 72
Hình 4.15. Ảnh nhiễu xạ tia X của Fe-TiO2 0,25% kl Fe....................................... 72
Hình 4.16. Ảnh nhiễu xạ tia X của Fe-TiO2 0,3% kl Fe......................................... 73
Hình 4.17. Ảnh SEM của Fe-TiO2 pha tạp 0,1% kl Fe........................................... 73

Hình 4.18. Ảnh SEM của Fe-TiO2 pha tạp 0.2% kl Fe........................................... 74
Hình 4.19. Ảnh SEM của Fe-TiO2 pha tạp 0,3% kl Fe........................................... 74
Hình 4.20. Phổ hấp thụ của dung dịch metylene xanh............................................ 75
Hình 4.21. Phổ hấp thụ UV-Vis của Fe-TiO2 0,25 % kl theo thời gian chiếu:........75
Hình 4.22. Phổ truyền qua của dung dịch TiO2...................................................... 77
0

Hình 4.23. Phổ hấp thụ của dung dịch TiO2 nanô xử lý tại 90 C và xanh metylen .78

Hình 4.24. Sơ đồ nguyên lý hệ phun tĩnh điện........................................................ 80
Hình 4.25. Ảnh SEM của màng TiO2 pha tạp Cu được chế tạo bằng phương pháp
phun tĩnh điện

81

Hình 4.26. Ảnh SEM của màng TiO2 pha tạp Fe được chế tạo bằng phương pháp
phun tĩnh điện

81

Hình 2.27. Ảnh SEM màng TiO2 phủ trên gạch men nung các nhiệt độ khác nhau 83
0

Hình 4.28. Ảnh nhiễu xạ tia X của màng TiO2 nung ở các nhiệt độ: 400, 500, 600 C

với thời gian nung 15 phút 83
Hình 4.29. Sự phụ thuộc khối lượng riêng của mẫu (N) và (T) vào nhiệt độ thiêu kết 86

x

Hình 4.30. Ảnh SEM của 2 nhóm mẫu (T), (N) với các nhiệt độ thiêu kết: 950,
0

1000, 1050, 1100 ( C)

87

0

Hình 4.31. Ảnh SEM của mẫu (T) và (N) thiêu kết tại nhiệt độ 1050 C với độ
phóng đại 20.000 lần

88

Hình 4.32. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu 2 nhóm mẫu(T) và (N) ở các nhiệt độ
thiêu kết khác nhau 88
Hình 4.33. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi theo nhiệt độ ở các mẫu N950,
N1000, N1050 và T40P

89

Hình 4.34. Dạng đường trễ của các mẫu N900, N950, N1000, N1050...................90
Hình 4.35. Các giá trị Ec và Pr của các mẫu N........................................................ 91
Hình. 4.36. Sự phụ thuộc hệ số liên kết điện cơ kp vào nhiệt độ thiêu kết của 2
nhóm mẫu N (sử dụng TiO2 nanô) và T (sử dụng TiO2 thương mại) 91

xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các thông số vật lý của tinh thể TiO2..................................................... 23
Bảng 2.2. Thế oxi hóa của một số gốc oxi hóa thường gặp..................................... 26
Bảng 3.1. Khối lượng riêng và hằng số điện môi củahệ gốm PZT51/49 - 0,4 % kl
MnO2 pha tạp ZnO 40
0

Bảng 3.3. Một số thông số áp điện của gốm phân cực trực tiếp ở nhiệt độ 130 C,
thời gian 15 phút tại các điện trường khác nhau 49
Bảng 3.2. Các giá trị Ec và Pr của nhóm mẫu......................................................... 47
Bảng 3.4. Một số thông số của vật liệu sử dụng chế tạo biến tử.............................51
Bảng 3.5. Thông số hình học của các biến tử.......................................................... 52
Bảng 3.6. Các đặc trưng cộng hưởng của mẫu

và

........................................52

Bảng 3.7. Tổng hợp các kết quả thực nghiệm khảo sát sự thay đổi tần số cộng
hưởng theo chiều dày

55

Bảng 3.8. Đặc tính kỹ thuật của máy phát siêu âm công suất đa tần.......................60
Bảng 4.1. Sự thay đổi khối lượng riêng vào nhiệt độ thiêu kết............................... 85
Bảng 4.2. Các giá trị Ec và Pr của các mẫu nhóm N............................................... 90

xii

MỞ ĐẦU
Do có nhiều tính chất dị thường và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
mà TiO2 kích thước nanô đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu,
tổng hợp [29,30,53,54,55,68]. Phản ứng quang xúc tác giữa bột TiO 2 với ánh sáng
mặt trời cho phép phá huỷ mọi chất ô nhiễm hữu cơ một cách không chọn lọc, diệt
vi khuẩn với tốc độ nhanh gấp bội so với các chất khử độc khác. Ngoài những ứng
dụng trên, TiO2 nanô còn đóng một vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như
chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, quang phân nước thành nhiên liệu
hydro,... Việt Nam có một nguồn ánh sáng mặt trời phong phú, vì vậy đó là nguồn
cung cấp năng lượng dồi dào cho công nghệ quang xúc tác. Đối với nước ta, bên
cạnh nhiệm vụ xử lý ô nhiễm môi trường do sinh hoạt và sản xuất thì xử lý các chất
độc khó phân huỷ do chiến tranh để lại cũng là một vấn đề nan giải đặt ra cho các
nhà khoa học.
Ngoài những ứng dụng trong các lĩnh vực nói trên, TiO 2 còn được biết đến
với những đặc tính nổi bật là vật liệu rất bền, không độc và rẻ tiền. Hoạt tính quang
xúc tác của TiO2 có cấu trúc nanô phụ thuộc vào cấu trúc pha, kích thước hạt, diện
tích bề mặt. TiO2 vô định hình có hoạt tính quang xúc tác không đáng kể và pha
Anatase có hoạt tính mạnh hơn pha Rutile [45]. Có rất nhiều phương pháp để chế
tạo TiO2 nanô như sol-gel [25,61,75], vi sóng [27,33], thủy nhiệt [25,34,65].
Phương pháp thủy nhiệt là khá đơn giản và đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo
TiO2 có cấu trúc ống nanô với đường kính nhỏ, chiều dài lớn, diện tích bề mặt cao.
Gần đây, có khá nhiều công trình nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tác nhân bên
ngoài đến sản phẩm của quá trình thủy nhiệt- vi sóng[13], siêu âm [23,58,66]. Phần
lớn các nghiên cứu này đều xuất phát từ những hóa chất như các hợp chất cơ kim
chứa Ti và TiO2 nanô thương mại (như Degussa P-25) đắt tiền nên không mang
nhiều lợi ích về kinh tế. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo được chất quang xúc tác
TiO2 kích thước nanô lượng lớn, với giá thành rẻ phù hợp với điều kiện kinh tế của
chúng ta hiện nay là một vấn đề có ý nghĩa thời sự.

1

Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện một số sản phẩm TiO 2 kích thước nanô,
nổi bật nhất là P-25 của Degussa, Đức. Với kích thước hạt trung bình khoảng 30
2

nm, diện tích bề mặt lớn cỡ 50 m /g. Vật liệu này được chế tạo bằng phương pháp
thủy phân TiCl4 trong điều kiện nhiệt độ cao với sự có mặt của oxi và hydro, lượng
hơi sau đó được xử lý để loại bỏ HCl. Thành phần của P-25 gồm 70% anatase và
30% rutile với độ tinh khiết rất cao. Sản phẩm này đã được đông đảo các nhà khoa
học trên thế giới công nhận nên hầu như các sản phẩm TiO 2 kích thước nanô đã
tổng hợp, thường lấy P-25 để so sánh.
Trong nước, tác giả Trịnh Thị Loan và các đồng sự [9] cũng đã công bố tổng
hợp được dây nanô TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt hai giai đoạn. Giai đoạn đầu
thu được các tinh thể nanô H2Ti5O11.H2O có cấu trúc lớp dài khoảng 10 µm, đường
kính từ 50 đến 70 nm. Xử lý tiếp giai đoạn sau, các tinh thể nanô H 2Ti5O11.H2O mất
nước, xây dựng lại cấu trúc thành các dây nanô TiO 2 anatase. Tác giả Đặng Mậu
Chiến và cộng sự [32] đã công bố tổng hợp thành công màng mỏng TiO 2-SiO2 bằng
phương pháp sol-gel xuất phát từ nguồn vật liệu ban đầu là tetraisoproylorthotitanate như là nguồn TiO2 và tetraethyl orthorsilicat (TEOS) như là nguồn
SiO2.
Craig A.Grimes [19,69] tổng hợp được dây nanô TiO 2 anatase có chiều dài từ
0,1 µm đến 1 µm, đường kính khoảng 8 đến 10 nm bằng phương pháp thủy nhiệt
o

trong môi trường kiềm NaOH tại 180 C trong 30 h trong bình pyrex, đi từ chất đầu
là tinh thể TiO2 anatase. Bo Hou và các cộng sự cũng đã chế tạo thành công vật liệu
TiO2/SiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt xuất phát từ nguồn vật liệu ban đầu
Titanium n-butoxide và TEOS. Lin Yuan và các cộng sự cũng đã sử dụng phương
pháp thủy nhiệt để chế tạo các ống nanô TiO 2 trong môi trường NaOH xuất phát từ
nguồn vật liệu ban đầu là P25. Shigeyuki Somiya và cộng sự đã tổng hợp được ống

nanô TiO2 có đường kính 10 nm bằng phương pháp thủy nhiệt quặng ilmanite trong
0

2

môi trường NaOH 10M tại nhiệt độ 500 C, áp suất 300 kg/cm trong thời gian 63h.
Nhìn chung, các phương pháp trên có nhược điểm là sử dụng nguyên liệu
đầu vào đắt tiền, nhiệt độ tổng hợp cao, áp suất cao, và thời gian tổng hợp dài.

2


Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học phát triển khá nhanh trong
thời gian hiện nay. Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồn siêu âm mà
chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và
công nghệ [12,15,35,36,40].
Các phản ứng hoá học không thể xảy ra trong điều kiện thường, sẽ dễ dàng
thực hiện khi có mặt của sóng siêu âm. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất
hiện nay của lĩnh vực siêu âm trong hoá học đó là việc sử dụng siêu âm để tổng hợp
và biến đổi các hợp chất vô cơ, hữu cơ. Hiện nay người ta đã ứng dụng sóng siêu
âm để chế tạo các vật liệu vô cơ, hữu cơ, vật liệu điện tử có cấu trúc nanô
[46,62,63,64]. Các dung dịch khác nhau không thể hoà tan vào nhau sẽ dễ dàng trộn
lẫn nhau một cách đồng nhất dễ dàng khi có mặt siêu âm. Trong xử lý chất thải bảo
vệ môi trường [74], siêu âm hiện đang được chú trọng như một tác nhân siêu oxy
hoá tiên tiến. Siêu âm có thế làm gia tăng tốc độ, hiệu suất chiết tách các hợp chất
quý mà các phương pháp thông thường không thể đạt được.
Các thiết bị siêu âm là phức tạp, đa dạng, đặt tiền, song linh hồn chính của
chúng chính là các biến tử thu phát sóng siêu âm. Phổ biến hiện nay, các biến tử thu
phát siêu âm được chế tạo chủ yếu từ vật liệu gốm áp điện có tên thương mại PZT-4,
PZT-8... Tuy nhiên, công thức thành phần của vật liệu là gì, các thông số của quy

trình công nghệ chế tạo như thế nào vẫn là những bí mật riêng của hãng sản xuất.
Với ý tưởng sử dụng tác động của siêu âm công suất vào phản ứng hoá học,
hiệu ứng cavitacy hình thành các bọt khí có áp suất cao, nhiệt độ cao, tốc độ tăng và
giảm nhiệt độ đạt tới 10

10

K/s sẽ tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc tổng hợp vật

liệu nanô. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ
SIÊU ÂM CÔNG SUẤT ĐỂ TỔNG HỢP VẬT LIỆU TiO2 CẤU TRÚC NANÔ
với mục tiêu nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện các thiết bị siêu âm công suất
chuyên dụng cho việc tổng hợp TiO2 cấu trúc nanô, nhằm tạo ra một sản phẩm nanô
chất lượng cao, giá thành rẻ và có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.
Để đạt được những mục tiêu trên, luận án tập trung giải quyết và thực hiện
các nội dung sau:

3











Nghiên cứu chế tạo biến tử trên cơ sở hệ vật liệu gốm PZT(51/49) – 0.4 %

0
kl MnO2 pha tạp ZnO thiêu kết tại nhiệt độ thấp (khoảng 1000 C) với chất
lượng cao, độ ổn định tốt.
Nghiên cứu chế tạo biến tử siêu âm dạng hình xuyến và tiến hành lắp ghép
biến tử siêu âm công suất cao kiểu Langevin kép.
Nghiên cứu thiết kế mạch kích siêu âm và hoàn thiện các thiết bị siêu âm
công suất cao như siêu âm đa tần, đơn tần dùng trong tổng hợp vật liệu.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO 2 có cấu trúc nanô sử dụng siêu âm công suất
cao kết hợp với thủy nhiệt. Nghiên cứu các tính chất vật lý, cấu trúc, vi cấu
trúc của TiO2 có cấu trúc nanô.
Nghiên cứu một số ứng dụng vật liệu TiO2 nanô đã chế tạo trong xử lý môi
trường.
Chế tạo vật liệu PZT51/49 – 0,4%kl MnO2 bằng sử dụng nguyên liệu TiO2
nanô.

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được phân bố thành bốn chương:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết về biến tử gốm áp điện.
Chương 2: Tổng quan về vật liệu TiO2 nanô
Chương 3: Nghiên cứu chế tạo biến tử áp điện trên cơ sở hệ vật liệu
PZT(51/49) – 0,4 % kl MnO2 - pha tạp ZnO
Chương 4: Một số kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2 có cấu trúc nanô
và ứng dụng

4


CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN TỬ GỐM ÁP ĐIỆN
[4,8,16,44,49,67,70]

1.1. Bài toán truyền sóng âm trong môi trường áp điện
1.1.1 Cấu tạo của biến tử ghép kiểu Langevin
Phần lớn các thiết bị phát siêu âm mật độ cao thường sử dụng biến tử bức xạ
nửa sóng có tần số cộng hưởng nằm trong khoảng giữa 18 kHz và 45 kHz. Do vận
tốc truyền âm trong gốm là khoảng 3200 m/s, vì vậy chiều dài theo phương truyền
sóng chính trong các gốm như PZT4 nằm trong khoảng từ 9 cm đến 3,5 cm. Hơn
nữa, theo yêu cầu của công suất bức xạ ra, bề mặt của biến tử cũng cần phải có diện
tích lớn. Rõ ràng là, việc chế tạo các mẫu gốm đơn phiến như vậy gặp rất nhiều khó
khăn và thậm chí không thể thực hiện được. Trước hết, khó có thể chế tạo các khối
gốm lớn có mức độ hoàn hảo cao và do đó tổn hao điện môi, tổn hao cơ học sẽ lớn.
Thứ đến, là khó có thể phân cực các khối gốm dày như vậy để có tính áp điện tốt.
Langevin là người đầu tiên đưa ra được giải pháp chế tạo biến tử siêu âm tần số thấp
không cần sử dụng gốm đơn bản như trên. Cấu tạo của biến tử kiểu Langevin được
mô tả trên hình 1.1.

Hình 1.1. Cấu tạo của biến tử kiểu Langevin

5


Trong cấu tạo này, toàn bộ cụm biến tử gồm có: 2 khối kim loại ở hai đầu có
chiều dài l1 và l2, bản gốm xuyến ở giữa có chiều dài l c. Tổng chiều dài của cụm
biến tử l1 + l2 + lc bằng nửa bước sóng. Phần gốm có thể sử dụng 1 bản đơn hoặc
ghép 2 bản theo chế độ nối tiếp. Các phần này liên kết chặt với nhau bằng ốc vít.
Khi áp đặt trường ngoài biến đổi, toàn bộ cụm biến tử thực hiện dao động nén dãn
theo phương chiều dày.
Trong phần này, chúng tôi lần lượt trình bày bài toán truyền sóng của bản áp
điện phân cực theo chiều dày, sơ đồ thay thế tương đương Mason của chúng, cũng
như của vật liệu đàn hồi thuần túy. Trên cơ sở này, dẫn ra phương trình xác định tần
số cộng hưởng của cả hệ biến tử.

1.1. 2 Bài toán truyền sóng trong thanh áp điện phân cực theo chiều dài,
dao động theo chiều dài.
Xét một thanh vật liệu áp điện với chiều dài dọc theo trục z, các mặt cuối
được phủ cực, chiều phân cực trùng với trục z. Kích thước của thanh là l, w, t tương
ứng với chiều dài, chiều rộng và chiều dày ( l >> w,t ). Lưu ý rằng, trong các tài liệu
về chuẩn đo áp điện, người ta thường quy ước các trục x, y, z tương ứng với các chỉ
số 1, 2, 3. Nếu hằng số điện môi của thanh lớn một cách đáng kể so với hằng số
điện môi của môi trường xung quanh thanh, khi đó không có sự tán xạ của điện
trường ra môi trường và vì vậy các đường sức sẽ song song theo chiều dài của
thanh. Vì vậy D1 = D2 = 0
và

∂D
3

= 0 . Do kích thước của các phương còn lại đều

∂z

nhỏ hơn so với chiều dài, nên tất cả các ứng suất đều bằng 0 ngoại trừ T3 . Do đó, D
và T được chọn như là các biến số độc lập đối với các phương trình áp điệ n:
(a)

S 3=
s

(b)

E =
−g

D

33

T+
g
3

T+
β

33

D



T

D

3






(1.1)

Một trong những vấn đề quan trọng ở đây là giải bài toán lan truyền thuần sóng
dọc hoặc sóng ngang. Trong môi trường áp điện, chúng ta cũng chỉ giới hạn nghiên cứu
các trường hợp này. Khi đó phương trình chuyển động tổng quát có dạng:

6


ρ

∂ 2u
∂t

i =

∂T

(1.2)

i
∂z

2

Với T là ứng suất và u i là độ dịch chuyển.
trình trạng thái áp điện

Sử dụng phương trình Newton (1.2) và phương
(1.1a), khi đó phương trình sóng của hệ sẽ là:
2
2

 ∂ u3 = 1 ∂ u3

∂t 2s33D

(1.3)

∂z 2

Cần lưu ý rằng divD 0 đối với một điện môi cô lập, do đó
=

∂D
3

∂D = ∂D =
3
3
0
∂x
∂y

và

= 0.

∂z

Nghiệm tổng quát của phương trình sóng (1.3) có dạng:


u3 =
Asin


ωz
ωz  jωt
V D + B cos V D e
b

b

(1.4)



1 



Trong đó vận tốc lan truyền của sóng đàn hồi

VD =



b



D

ρ
s

33



1/ 2

Y

= 









D

33

ρ

1/ 2

 .


Sử dụng điều kiện biên: tại các mặt cuối của thanh (z = 0; l) là tự do, nên ứng
suất T3 = 0 . Thay các điều kiện biên này vào phương trình trên, ta xác định được các

hệ số A và B. Nếu xem điện trường ngoài tác dụng lên thanh có dạng D3

=
D0e

jωt

,

khi đó nghiệm sẽ là:
= V Dg
u

3

b

33

ω

D  ωz −tg
3 sin
D





V

ωl
cos

D

2V

b

b

ωz 
D

V

b

(1.5)



Để thuận tiện, các phương trình (1.1) được viết lại như sau:
(a)

T = S −g D
3

3

(b)

Ứng suất S3 =

E = −
3

D

s

s

33

D

33

g 33

s



33

D3

33

S



3

 g 33

+ 




s

D

33


+ β T D
33 







(1.6)


3



∂ u3
∂ z rút ra từ phương trình (1.5), được thay vào phương trình


(1.6b). Sau khi lấy tích phân, chúng ta thu được điện áp trên thanh như sau:

7


 
g
l

l

V = ∫ Edz
=



3



0







2

+βT −

33

s

s ω



D

2

V

D



33

tg

33 b

33

D

ωl 

2g 2 V D

33

3


b

(1.7)

D



Dòng điện chạy qua thanh thu được từ việc tính đạo hàm theo thời gian giá
D3 . Ta có j3 = ∂D , nên I = I3 = j3 .A =
. Trong trường hợp này, biểu thức
trị
jωctD3
3

∂t

dòng là đơn giản hơn thế nên chúng ta tính được ngay tổng trở:
 2g 2 V D
V   2
ωl  /( ωwt
g
(1.8)
)
= l

Z
=

I









+βT −

33

s

33 b

s ω

33

D



D

2
V

D



33

tg

33




b



f trùng với f p và bằng tần số ứng với giá trị
a

Khi không có sự tổn hao thì

cực đại của tổng trở. Từ biểu thức (1.8) chúng ta thấy rằng Z đạt giá cực đại khi
tg ωl
ωl = π
= ∞ hay
. Từ đó tần số f a được xác định chính xác bởi:
2 D
2 D 2
=V D =
=

1
1
V

V
b

b

fa = f p

b

2l

D 1/ 2

2l( ρs

33

π fr 

2l[ρs

D
33

2

( 1 −k 33 )]

1/ 2

33



(1.9)



33


 fr
2
 fa 
2 fa
E
2
= ε T g 2 và s D = s ( 1 − )
= d
k 332 .
33
33
sEεT
sE
33





2

= k

cot g

trong đó k332

)



33 33

33

33

Ngoài ra f r cũng trùng với f s và bằng tần số ứng với giá trị cực tiểu của tổng
trở: Z

min

=

 g2
l

 




33

sD

33



+ βT −
33 



f r được xác định từ đồ thị

xác định không chính xác.

2g 2 V D
33 b

sDω

tg

ωl 

33

Atg (kX) =
X

2V D 
b

= 0

. Đặt





ω = 2πf =
X

, khi đó tần số

. Như vậy, trong trường hợp này tần số

fr

1.2. Mạch điện tương đương Mason
Việc phát và thu sóng siêu âm được thực hiện nhờ các biến tử sử dụng hiệu
ứng áp điện thuận và ngược. Đặc trưng cộng hưởng của các biến tử áp điện có thể
được thiết lập từ việc giải phương trình truyền sóng với các điều kiện biên tương

ứng. Tuy nhiên, việc giải quyết các vấn đề này cứ mỗi lần lại phải lặp lại từ đầu là

8


điều không cần thiết. Vì vậy, sử dụng các mạch tương đương với các thành phần
điện và cơ của các biến tử tỏ ra có nhiều thuận lợi hơn.
Mạch điện tương đương đối với mỗi loại biến tử áp điện có thể được dẫn ra
từ các phương trình chuyển động và các phương trình áp điện thích hợp. Với việc sử
dụng các phép chuyển đổi điện – cơ, các phương trình này chuyển thành phương
trình mạch điện, có thể giải trực tiếp bằng lý thuyết mạch quen thuộc.
Chúng ta sẽ xây dựng mạch tương đương của thanh áp điện dài vô hạn, phân
cực theo chiều dài, điện trường áp đặt song song theo phương phân cực.
Đối với thanh có chiều dài vô hạn với các mặt cuối được phủ cực, điện
trường song song với hướng lan truyền của sóng đàn hồi ( D = const ) và tiết diện
của thanh nhỏ hơn so với chiều dài ( T = const ), các phương trình áp điện và
nghiệm của phương trình chuyển động được viết lại như sau:
(a)
(b)

S =
3
s
E =
−g

D

33

T+
D 
33
g
T + T D
β
3

3






(1.10)
u

ωz


= Asin

3

D



ωz 

+ B cos

D e

V

Vb

b

jωt

(1.11)



Các phương trình này đã được xác định theo các điều kiện biên tự do tại hai
bề mặt cuối (z = 0, l). Trong phần này, chúng sẽ được xác định theo các lực cơ học
hay vận tốc tại các mặt này. Đối với các trường hợp có sự hiện diện của trở kháng
thì các hằng số A và B của phương trình (1.11) được xác định phụ thuộc vào các vận
tốc dịch chuyển U1 và U2:
u3

z= 0 = +U 1

z= l = −U 2

và u3

(1.12)

Và từ đó:

1 
A= −

jω



sin






U

U
2

 ωl 
V D 



B = 1 U e−jωt
1

j
ω

b



1

+


e−jωt

 ωl  

tg 

V D





9



b




(1.13)