Chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu áp điện tổ hợp PZT polyme tt

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
-------------------

ĐỖ PHƯƠNG ANH

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ
CỦA VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN TỔ HỢP PZT - POLYME

Ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 9440104

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Huế, 2020


Cơng trình được hồn thành tại Khoa Điện, Điện tử và Công nghệ
Vật liệu, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế.
Người hướng dẫn khoa học
1. TS. Trương Văn Chương
2. PGS. TS. Võ Thanh Tùng
Phản biện 1: ...........................
Phản biện 2: ...........................
Phản biện 3: ...........................
Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng cấp: Đại học Huế vào lúc
....... giờ ........ ngày ........ năm ……….
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Quốc gia Việt Nam
2. Thư viện Trường Đại học Khoa Học, Đại học Huế.

1
MỞ ĐẦU
Trong thế kỉ qua, nhiều vật liệu áp điện đã phát triển, tuy
nhiên phổ biến nhất là PZT có cấu trúc perovskite. Gốm áp điện
này đã được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến và thiết bị truyền
động...Gần đây, Gao và cộng sự (2018) đã phát triển gốm PNNPZT với hệ số liên kết cải thiện đáng kể là 1753 pC.N-1, cao hơn
nhiều so với gốm PZT thông thường.
Vật liệu gốm áp điện có các thơng số tương đối và liên kết tốt,
nhưng vật giịn và có tỷ trọng cao. Với ứng dụng ngày càng rộng rãi
của gốm áp điện trong các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), các
màng mỏng PZT đã được phát triển để tận dụng đặc tính như nhỏ,
nhẹ thuận lợi do linh hoạt, cũng như việc sử dụng màng mỏng chứa
các hạt và màng được định trên bề mặt để tăng cường khả năng liên
kết. Một vật liệu khác thuận lợi hơn khi kết hợp các ưu điểm của vật
liệu khác nhau, đó là vật liệu tổ hợp.
Các vật liệu áp điện tổ hợp có hệ số biến dạng áp điện và
điện áp thủy tĩnh cao hơn so với các vật liệu gốm áp điện, điều này
cho thấy chúng trở thành ứng cử viên xuất sắc cho cảm biến thủy
tĩnh, chẳng hạn như định hướng âm thanh chủ động và thụ động
(SONAR). Hơn nữa, để hỗ trợ cho vật liệu áp điện này, các vật
liệu polyme áp điện đã phát triển, bao gồm polyvinylidene fluoride
(PVDF). Trong khi polyme áp điện có trọng lượng nhẹ và linh
hoạt, tuy nhiên, khả năng ghép nối của chúng thấp hơn đáng kể so
với các thành phần gốm trong chúng. Các đại diện của họ vật liệu
này là PVDF và đồng polyme dựa trên PVDF, chẳng hạn như
P(VDF-TrFE), P(VDF-Tefe) và P(VDCN-VAC).
PVDF là polyme gốc flo được tổng hợp thành công bởi
Công ty EI du Pont de Nemours (bang Delaware, Mỹ) vào năm

2
1944 trước khi phát hiện ra gốm PZT. Tuy nhiên, mãi đến năm
1969, Kawai mới phát hiện ra tính áp điện của PVDF và các nhà
nghiên cứu bắt đầu quan tâm đến nó. Ơng thấy rằng, tính sắt điện
của PVDF xuất hiện dựa trên sự định hướng lưỡng cực trong pha
kết tinh của polyme. Đây là pha tinh thể có phân cực, trong trường
hợp này là pha . Điều này có thể dễ dàng thực hiện bằng cách
phân cực sẽ làm chuyển từ pha α sang , ví dụ trong q trình biến
dạng cơ học ở 70–80 °C. Ngồi ra, các q trình khác cũng có thể
chuyển về pha tinh thể có cực khi chịu bức xạ điện tử hoặc dưới
tác dụng của điện trường cao.
Polyme sắt điện có hệ số áp điện tương đối trung bình so với
vật liệu gốm (d33 khoảng 20–30 pC/N), trở kháng âm xấp xỉ với trở
kháng âm của nước và các chất lỏng khác.
Kể từ năm 1954, PZT và BaTiO3 đã được sử dụng rộng rãi
cho các ứng dụng cảm biến và thiết bị truyền động mặc dù chúng có
độc tính, giịn, khơng linh hoạt, v.v. Với sự phát hiện ra PVDF vào
năm 1969, dẫn đến sự phát triển của các đồng polyme, đây là chất
dẻo, dễ gia công, không độc, tỉ trọng thấp. Sự phân tán gốm áp điện
trong ma trận polyme mở ra khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực. Vật liệu tổ hợp PZT-PVDF được điều chế bằng cách phân tán
bột PZT vào các dung môi khác nhau hoặc làm tăng hoạt hóa bề mặt
của các hạt gốm áp điện với các chất kết nối, sau đó trộn với bột
PVDF và xử lý tiếp theo bằng những tiến trình đặc biệt.
Việc tổng hợp vật liệu tổ hợp PVDF-PZT dựa trên các hạt
PZT làm chất độn và thu được bằng các phương pháp thông
thường hay hiện đại cùng với PVDF trong dung môi DMF, tổ hợp
vật liệu này phù hợp để sản xuất màng vi cảm biến.

3
Với những lý do trên chúng tôi chọn đề tài: “Chế tạo và
nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu áp điện tổ hợp PZT
- Polyme” để thực hiện Luận án tiến sĩ của mình.
Chương 1. Tổng quan lý thuyết;
Chương 2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu sợi nano và keo dẫn điện
Chương 3. Chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu
tổ hợp PZT5A-PVDF.
Chương 4. Mô phỏng biến tử Bimorph và thử nghiệm ứng dụng
trong hệ thống chuyển đổi năng lượng.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Đây là những cơ sở lý thuyết được sử dụng để nghiên cứu
và giải thích các tính chất vật liệu cũng như cấu trúc của vật liệu
chế tạo trong luận án
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SỢI
NANO VÀ KEO DẪN ĐIỆN
2.1. Nghiên cứu chế tạo thiết bị và tổng hợp màng vật liệu
PVDF, PVDF pha tạp
2.1.1. Kĩ thuật phun điện và một số ứng dụng
2.1.2. Chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-01
Sơ đồ thí nghiệm cho thấy hình 2.11 bao gồm một bộ cao
áp, một máy bơm tiêm tự động với tốc độ bơm từ 1mL/h đến 999
mL/h và một ống tiêm 10 mL với đường kính kim 25 G
(~ 0,5 mm). Điện cao áp (EG = 0 ÷ 30 kV) và lực kéo sợi (FG) áp
đặt trong quá trình quay điện gây ra sự phân cực của vật liệu lỏng
để hình thành nhiều pha kết tinh  hơn. Một ống quay bằng thép

4
(E-HUSC-01, Đại học Khoa học Huế, Việt Nam) với tốc độ quay
1500 vòng/phút được sử dụng làm bộ thu.

Hình 2.11. Thiết bị quay điện E-HUSC-01 được lắp ráp
tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế

2.1.3. Chế tạo màng vật liệu tổ hợp
2.1.3.1. Khảo sát nồng độ của màng PVDF

Hình 2.12. Đường DTA
của bột PVDF

Hình 2.13. Phổ FTIR của màng
PVDF các nồng độ khác nhau


5
Các màng PVDF phun phủ bằng cách quay điện dung dịch
sau 4 giờ trên đế bạc ở nhiệt độ phòng. Các màng ướt được ủ ở
135 °C liên tục trong lị.
(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

Hình 2.14. Bề mặt hình thái học và phân bố đường kính các sợi của
PVDF ở các nồng độ khác nhau

2.1.3.2 Tổng hợp vật liệu CNTs-PVDF

Hình 2.15. Ảnh FE-SEM của CNTs

Các ống nano carbon (CNTs) được sử dụng một lượng bổ
sung trong các ứng dụng vi điện tử. Từ quan điểm này, cơng trình
nghiên cứu sẽ thảo luận cơ chế hình thành pha β trong màng tổ
hợp áp điện polyvinylidene fluoride/carbon nanotubes (CNTsPVDF) bởi phương pháp quay điện. Từ đó, có nhiều cách khác
nhau để tăng cường pha tinh thể β của vật liệu PVDF.


6
(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 2.18. (a) Cấu trúc CNTs-PVDF có chứa CNTs bên trong,
(b) Phổ XRD (c) Phổ FTIR và (d) Phổ Raman, trong đó pha β xuất hiện
trong phổ nhiễu xạ của màng CNTs-PVDF ở các nồng độ CNTs khác
nhau từ 0 đến 0,9% kl.

Mẫu các màng CNTs-PVDF có đỉnh 2θ = 18,2º, tương ứng
với mạng mặt (020) và (100) của pha tinh thể α. Ngồi ra, có đỉnh
nhiễu xạ β mạnh hơn ở 2θ = 20,6º trở nên nổi trội tương ứng với
mạng mặt (200) và (110).

Hình 2.23. Ứng suất lực/độ dãn tương đối của màng sợi nano PVDF/CNTs


7
Việc đưa một lượng CNTs sẽ làm gia tăng kết tinh pha β của
tổ hợp nano PVDF và phân cực dư, tuy nhiên, nếu lượng pha tạp
CNTs quá nhiều, sẽ làm hỏng chất lượng của màng, làm tăng độ
dày của lớp phủ, kém trong suốt, cong bề mặt, và trong trường hợp
xấu nhất, màng PVDF bị bong tróc. Pha kết tinh β đạt tối ưu chỉ
với nồng độ CNTs 0,5 %kl.
2.1.3.3 Tổng hợp vật liệu GO-PVDF

Hình 2.9. Ảnh SEM của
GO và sợi GO-PVDF

Sự khác biệt giữa P16-C5 và P16-G7 là không lớn lắm, tuy
nhiên sự đồng đều ở sợi P16-G7 là cao hơn cùng với ứng suất chịu
lực và độ dãn dài cao hơn so với mẫu P16-C5.

8
2.2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KEO DẪN ĐIỆN TỪ DUNG
DỊCH SỢI NANO BẠC
Trong phần này, các sợi nano bạc được tổng hợp bằng
phương pháp polyol sử dụng các kỹ thuật hỗ trợ siêu âm. Để tổng
hợp sợi nano, chúng tôi đã sử dụng các tác nhân như KBr, NaCl,
PVP, EG ... để thực nghiệm cũng xác định được nồng độ tối ưu
hỗn hợp của các chất. Các sợi nano được phân tích bằng các kỹ
thuật XRD, SEM, FTIR và UV-Vis, ... Ngoài ra, việc tổng hợp các
dung dịch dẫn điện có điện trở thấp, độ bám dính tốt, độ mềm dẻo
và độ ổn định nhiệt đã mở ra hướng ứng dụng công nghệ mới
trong tương lai.
2.2.1. Tổng quan
2.2.1.1. Một số tính chất đặc trưng của dây nano bạc
2.2.1.2. Một số phương pháp chế tạo dây nano bạc

Hình 2.36. Phương pháp chế tạo nano (a) “từ trên xuống”, (b) “từ dưới lên”

Các phương pháp tổng hợp vật liệu có cấu trúc nano thường
có 2 cách khác nhau, đó là phương pháp tiếp cận “từ dưới lên” và
“từ trên xuống”. Phương pháp “từ dưới lên” tạo ra vật liệu kích
thước nano từ việc hợp thành các nguyên tử và phân tử; trong khi
cách tiếp cận "từ trên xuống" dựa vào các phân mảnh liên tục hoặc


9
xử lý vật liệu có kích thước lớn thành các vật thể có kích thước
nano nhỏ hơn.
2.2.2. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất đặc
trưng của sợi nano Ag

2.2.2.1. Chế tạo dây nano bạc bằng phương pháp Polyol
Công đoạn 1: Tạo mầm và phát triển dây nano bạc.
Công đoạn 2: Tách sản phẩm phụ.
Công đoạn 3: Quay li tâm tách dây nano bạc.
2.2.2.2. Khảo sát các tính chất sợi nano bạc

Hình 2.44. Ảnh SEM của dây nano bạc chế tạo với lượng PVP khác
nhau: (a)-100 mg, (b) -150 mg, (c)-200 mg và (d)-250 mg

Hình 2.45. Phổ nhiễu xạ tia X và phổ hấp thụ UV- Vis của dây nano bạc
chế tạo với lượng PVP khác nhau


10
2.2.3. Tổng hợp màng dẫn polyme từ dung dịch sợi nano bạc
Kết quả phân tích từ hình 2.44 – 2.45 cho thấy dây nano bạc
đã được chế tạo có chiều dài trung bình cỡ 10-20 µm và đường
kính trung bình cỡ 50 nm.
Sử dụng các dung môi Toluene, Acetone, Isobutyl acetate,
2-heptanone, Ethyl acetate, PVDF, DMF…và dung dịch chứa dây
nano bạc nói trên, chúng tơi đã chế tạo được keo bạc ở nhiệt độ
phịng. Điện trở màng có giá trị khoảng 10 Ω/sq.

Hình 2.48. (a) Điện trở các màng dẫn khác nhau phủ trên gương tại các nhiệt
độ khác nhau, (b) Đo Điện thế-Dòng điện, theo nhiệt độ mẫu A80 tại các
nhiệt độ khác nhau

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH
CHẤT VẬT LÝ CỦA MÀNG VẬT LIỆU TỔ HỢP
PZT5A – PVDF

3.1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện của màng tổ hợp
PZT5A-PVDF bằng kĩ thuật quay điện.
3.1.1. Chế tạo màng vật liệu tổ hợp PZT-PVDF bằng kỹ thuật
quay điện
3.1.1.1. Chế tạo hệ gốm áp điện PZT5A


11

(a)

(b)

Hình 3.2. Ảnh SEM của kích cỡ hạt gốm PZT5A trước và sau khi nghiền
(b)

(a)

Hình 3.4. Đường trễ P-E của mẫu gốm PZT và giá trị d33 của PZT dạng
đĩa được đo trên thiết bị Model YE2730

Gốm PZT-5A (ρ = 7,63 g/cm3, d33 cỡ 317 pC/N, ɛr = 1800)
được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng pha rắn thông thường.
Bột PZT được nghiền bằng cối và chày với kích cỡ hạt từ 200 –
500 nm (Hình 3.2).
3.1.1.2. Chế tạo màng vật liệu tổ hợp PZT-PVDF
Chuẩn bị dung dịch PVDF: Các dung dịch tiền chất PVDF
16% kl được chuẩn bị bằng cách hòa tan bột PVDF trong dung
dịch DMF/axeton 3:1. Dung dịch được đun nóng ở 65 oC trong cốc
dầu silicon khoảng 30 phút để hịa tan hồn tồn polyme.

12
Bảng 3.2. Kí hiệu mẫu của tổ hợp PZT5A-PVDF bằng PPQĐ
Thành phần

ρ (g/cm3)

Stt
1

Mẫu
Kí hiệu
P16

PVDF 16 %kl + 0%kl PZT

1.7

2

P-A5

PVDF 16 %kl + 5%kl PZT

1.8

3

P-A10

PVDF 16 %kl + 10%kl PZT

2.1

4

P-A15

PVDF 16 %kl + 15%kl PZT

2.4

5

P-A20

PVDF 16 %kl + 20%kl PZT

2.8

6

P-A25

PVDF 16 %kl + 25%kl PZT

3.1

Màng tổ hợp PZT/PVDF bằng phương pháp quay điện: với

PZT được thêm vào dung dịch PVDF ở nồng độ tương ứng là 5,
10, 15, 20 và 25 %kl (Bảng 3.2)
3.1.2. Nghiên cứu tính chất vật lý của màng tổ hợp PZT5A-PVDF
3.1.2.1. Nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc

Hình 3.7. Ảnh SEM và kích thước nhóm mẫu màng PZT/PVDF với
lượng PZT khác nhau


13
Hình 3.7 cho thấy, các cấu trúc hình thái học được phân tích
bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với đường kính sợi của
PZT/PVDF 900 ÷ 1800 nm, q trình này đạt được với nồng độ
PZT tối đa (ký hiệu: P-A25), kỹ thuật phun không thể thực hiện
với nồng độ PZT cao hơn 25% kl.

(c)
5

0

0

-5

20

-20

40

-10

20

-20

-10

(e)

5

(C/cm2)

10

0
-5

0

0

-10

10

20

-20

EC(kV/cm)

-10

-10

0

10

20

EC(kV/cm)

-5
-10

10

(d)

5

P

(C/cm2)
-10

10

EC(kV/cm)

EC(kV/cm)

P

-20

0

-5

-10

(f)

0

(C/cm2)

-20

5

10
5

P

-40

10

P

P

5

10

P

(C/cm2)

(b)

(C/cm2)

10

(a)

(C/cm2)

3.1.2.2. Nghiên cứu tính chất sắt điện

0

-5

0

10

EC(kV/cm)

-10

20

-20

-10

0
-5

0

10

20

EC(kV/cm)

-10

Hình 3.11. Đường trễ P - E đối với mẫu F16 (a) và F16-x% PZT với

nồng độ PZT khác nhau, x = 5 (b), 10 (c), 15 (d), 20 (e), 25 (f) %kl

3.2. Chế tạo và nghiên cứu tính chất điện của tổ hợp PZT5APVDF bằng phương pháp ép nóng
3.2.1. Quy trình chế tạo
Các màng tổ hợp này cho thấy số lượng các hạt tăng lên
khi tăng phần hàm lượng PZT. Có sự khơng đồng nhất về kích
thước hạt của các mẫu do sự hiện diện của các kích thước hạt
khác nhau của PZT.


14
Bảng 3.4. Kí hiệu mẫu của tổ hợp PZT5A-PVDF ép nóng
Mẫu
Stt

Thành phần

Kí hiệu

ρ
(g/cm3)

1

P16

PVDF 16 %kl + 0%kl PZT

1,74

2

P-A30

PVDF 16 %kl + 30%kl PZT

3,41

3

P-A40

PVDF 16 %kl + 40%kl PZT

4,10

4

P-A50

PVDF 16 %kl + 50%kl PZT

4,70

5

P-A60

PVDF 16 %kl + 60%kl PZT

5,30

6

P-A70

PVDF 16 %kl + 70%kl PZT

5,87

3.2.2. Nghiên cứu tính chất vật lý của tổ hợp PZT5A-PVDF
bằng kỹ thuật ép nóng
3.2.2.1. Mật độ, cấu trúc và vi cấu trúc
Hình 3.13 là minh họa các cấu trúc vi mô cho vật liệu tổ hợp
PZT-PVDF được tổng hợp bằng quy trình ép nóng. Điều này giải
thích sự ảnh hưởng của việc định hình đối với hình thái học của
PZT-PVDF. Khi hàm lượng PZT thấp, PVDF tồn tại giữa miền
biên giới của các hạt PZT, chúng làm xuất hiện nhiều khoảng
trống và tăng độ xốp sẽ gây bất lợi cho sự phân cực của vật liệu tổ
hợp và chuyển động của các đô men sắt điện. Do đó, các đặc tính
điện giảm đi nhiều.

Hình 3.13. Minh họa các cấu trúc vi mô cho vật liệu tổng hợp PZT-PVDF
chuẩn bị cho quy trình ép nóng với sự gia tăng hàm lượng PZT


15
Vi cấu trúc của tổ hợp áp điện PZT-PVDF 0-3 với %kl PZT
30 - 70% được thể hiện trong hình 3.13 - 3.14. Nó cho thấy đặc
tính điển hình của "liên kết hạt". Tiến trình ép nóng vật liệu làm

giảm các vết nứt ở các mẫu tổ hợp áp điện PZT-PVDF 0-3, liên kết
giữa các hạt gần hơn và làm tăng kích thước hạt.

Hình 3.14. Ảnh SEM và phân bố kích thước hạt cho vật liệu tổ hợp
PZT5A-PVDF với các thành phần PZT5A khác nhau
(a)

(b)
Độ xốp (%)

4
3
2
1
0
0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Tỉ lệ khối lượng PZT

Hình 3.15. (a) Tỷ trọng theo thực nghiệm và lý thuyết, (b) Độ xốp của
vật liệu tổ hợp với các tỉ lệ PZT khác nhau.

16
Khi hàm lượng PZT thấp, PVDF tồn tại ở miền biên của các
hạt PZT, chúng chứa nhiều khoảng trống và độ xốp gây bất lợi cho
sự phân cực của tổ hợp vật liệu và sự chuyển động của các domen
sắt điện. Dẫn đến, các tính chất điện thấp hơn nhiều.
(a)

(b)

Hình 3.17.(a) Phổ nhiễu xạ tia X của gốm PZT được thiêu kết tại 1050 oC
trong 2 giờ, (b) Phổ XRD của gốm PZT, tổ hợp PZT-PVDF và bột PVDF.

3.2.2.2. Tính chất điện mơi của vật liệu xPZT5A-(1-x)PVDF
1.6x10-8
1.2x10

(a)

Tc=337 oC

(b)

-8

8.0x10-9
4.0x10-9
0.0
0

100

200
300
NhiƯt ®é (oC)

400

Hình 3.18. (a) Hằng số điện môi PZT phụ thuộc vào nhiệt độ đo tại 1 kHz,
(b) Hằng số điện môi của tổ hợp PZT-PVDF phụ thuộc vào nồng độ PZT

Giá trị hằng số điện môi ổn định cho thấy trong trường hợp
phần trăm thể tích từ 0,3 đến 0,7 ở 140 oC và thay đổi mạnh đối
với phần trăm thể tích 0,6 và 0,7. Điều này có thể là do các hạt
PZT được phân cực tạo ra trường nội bên trong hỗ trợ sự định
hướng của các phân tử PVDF. Ở nhiệt độ cao hơn, các phân tử dao


17
động mạnh và nồng độ lưỡng cực PZT cao hơn cho phép định
hướng các phân tử dễ dàng hơn gây ra sự gia tăng mạnh về hằng số
điện môi theo nhit .
(a)

Hằng số điện môi er

(b)

300
P-A30

P-A40
P-A50
P-A60
P-A70

250
200
150
100
50
0.0

300.0k
600.0k
Tần số (Hz)

900.0k

Hỡnh 3.19. (a) Phổ hằng số điện môi theo nhiệt độ,
(b) Hằng số điện mơi theo tần số của tổ hợp PZT/PVDF

3.2.2.3. Tính chất sắt điện, áp điện của vật liệu PVDF xPZT5A- (1-x)

(c)

(b)
5

P

(C/cm2)

10

(a)

-40

-20

0
-5

0

20

40

EC (kV/cm)

EC (kV/cm)

EC(kV/cm)

-10

(d)

(e)

EC (kV/cm)

(f)

EC (kV/cm)

Hình 3.22. Đường trễ P-E đối với vật liệu tổ hợp F16 (a) và F16-x% PZT với
các nồng độ PZT khác nhau, x = 30 (b), 40 (c), 50 (d), 60 (e), 70 (f) wt%


18
Các đường trễ P-E của tổ hợp PZT/PVDF được xác định ở
nhiệt độ phịng được thể hiện trong hình 3.22. Kết quả cho thấy
các vật liệu tổ hợp có phần trăm thể tích PZT từ 0,3 đến 0,7 có
vịng trễ P-E khơng bão hịa. Có lẽ trường điện kháng 30kV/cm là
ngun nhân chính cho tính từ trễ khơng bão hịa. Cũng cần lưu ý
rằng khi tăng hàm lượng PZT vượt quá 0,7 phần trăm thể tích, các
giá trị của phân cực dư và trường điện kháng cũng tăng lên.
(a)

(b)

-82

9,0k

8,8k

-84

Gãc pha (o)

Trở kháng (Ohm)

-80

103,9

9,2k

100,8
8,6k
98

100

102

104
Tần số (kHz)

106

-86

Hỡnh 3.23. (a) So sỏnh cỏc giá trị thực nghiệm và lý thuyết của d33 với
phần trăm thể tích PZT, (b) Phổ trở kháng của vật liệu tổ hợp 0-3 (F-P70)
với mẫu viên dày 1 mm ở nhiệt độ phịng.

Các giá trị d33 được tính tốn từ thực nghiệm có giá trị tăng
dần khi tăng phần trăm gốm trong tổ hợp đến tỉ lệ thể tích PZT lên
0,7. Giá trị thực nghiệm của d33 có xu hướng thay đổi đột ngột khi
vượt qua 0,5 phần trăm thể tích do sự xuất hiện của hàm lượng
gốm cao hơn trong composite. Điều này thể hiện tính định hướng
của các lưỡng cực trong hỗn hợp khi các hạt gốm chiếm tỉ lệ nhiều
hơn. Bên cạnh đó, máy phân tích trở kháng Agilent 4396B được sử
dụng để khảo sát đặc tính của tần số cộng hưởng và hệ số liên kết
điện cơ của chúng.


19
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG BIẾN TỬ DẠNG BIMORPH VÀ
THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN
ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN.
4.1. Phương pháp phần tử hữu hạn
Nghiên cứu các kết quả vật lý đưa đến các phương trình vi
phân. Những phương trình này không thể giải một cách rõ ràng
hoặc lời giải của chúng khơng thể chính xác do điều kiện biên và
miền rất phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, các phương pháp số,
đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), có thể được sử
dụng để giải quyết một cách rõ ràng hơn.
4.2. Mô phỏng tấm áp điện bimorph bằng phần mềm comsol
multiphysics
4.2.1. Phần mềm Comsol Multiphysics

Hình 4.2. Mơ hình tấm áp điện dùng FEM

4.2.2. Thiết lập bài tốn mơ phỏng cho biến tử áp điện trong
mơi trường Comsol Multiphysics

4.2.3. Một số kết quả phân tích trạng thái dao động của tấm
biến tử áp điện bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng
chương trình CM


20
4.2.3.1. Khảo sát phổ cộng hưởng của lớp vật liệu áp điện PZT

Z()

1200

FEM

800
400 71.2 kHz
0

Z()

1200 70k

71k

72k

73k

74k

75k

Thùc nghiƯm

800
400

72.5 kHz

0

70k

71k

72k

73k

74k

75k

f(kHz)

Hình 4.1. Phổ cộng hưởng
tấm PZT-5A

Hình 4.2. Các mode dao động gần điểm
cộng hưởng của tấm gốm áp điện PZT-5A

6.0x10

4

4.0x10

4

Z()

4.2.3.2. Khảo sát phổ cộng hưởng của lớp vật liệu áp điện PVDF

FEM

4

2.0x10
0.0
4

4.0x10

4

2.0x10

4

0.0

11.5k

Z()

-2.0x104
6.0x10 11.0k

11.0k

12.0k

12.5k

Thùc nghiƯm

11.5k

12.0k

12.5k

f(kHz)

Hình 4.3. Phổ cộng hưởng của
lớp PVDF

Hình 4.4. Các mode dao động gần
điểm cộng hưởng của lớp PVDF

21
4.2.3.3. Khảo sát tính chất cộng hưởng của vật liệu áp điện
Bimorphs ba lớp

Z()

5200

FEM

4800
4400
4000

Z()

5000

65.3kHz

60.0k 63.0k 66.0k 69.0k 72.0k 75.0k

Thùc nghiÖm

4000
3000
2000

62.8 KHz

60.0k 63.0k 66.0k 69.0k 72.0k 75.0k

f(kHz)

Hình 4.5. Phổ cộng hưởng tấm
Bimorph 3 lớp

Hình 4.6. Các mode dao động gần điểm
cộng hưởng của tấm tấm Bimorph 3 lớp

Z()

4.2.3.4. Khảo sát tính chất cộng hưởng của vật liệu áp điện Bimorphs
năm lớp
4500

FEM

3000
1500

Z()

0
4500

26.4 kHz

21.0k

24.0k

27.0k

30.0k

Thùc nghiƯm

3000
1500
0

21.9 kHz

21.0k

24.0k

27.0k

30.0k

f(kHz)

Hình 4.7. Phổ cộng hưởng tấm

Hình 4.8. Các mode dao động gần điểm

Bimorph 5 lớp

cộng hưởng của tấm Bimorph 5 lớp


22
4.3. ỨNG DỤNG TRONG THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI
4.3.1. Xây dựng thí nghiệm xác định vận tốc trong chuyển động

Hình 4.13. Mơ phỏng thí nghiệm xác định vận tốc chuyển động (trên quãng
đường ngắn) (a), tín hiệu ghi lại của dao động kí (b) và xử lý hình ảnh, tính
tốn vận tốc chuyển động (c).

4.3.2. Thiết kế biến tử kiểu Bimorph và Bimorph hỗn hợp trên
nền gốm PZT5A
Thực nghiệm chế tạo biến tử Cymbal và Bimorph sử dụng
phần tử áp điện PZT-5A đã được thực hiện và sự thay đổi tần số
cộng hưởng của đầu dò cũng đã được kiểm tra. Đối với gốm áp
điện dạng đĩa, sự thay đổi độ dày không ảnh hưởng đến hệ số liên
kết điện cơ vì phổ cộng hưởng khơng thay đổi. Với sự thay đổi của
tỉ lệ (đường kính/ độ dày) các kiểu dao động cũng sẽ khác.
Do đó, đầu dị Cymbal có thể hoạt động ở tần số thấp hơn
khoảng vài lần so với đầu dị hình đĩa có cùng đường kính. Các hệ
thống vật liệu này thích hợp cho các ứng dụng thủy âm.


23
4.3.3. Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng dựa trên nền gốm
PZT5A, bimorph dạng tấm 5 lớp phức hợp

Đầu vào

Hình 4.23. Sơ đồ kết nối mơ hình ứng dụng

Mơ hình ứng dụng được kết hợp bo mạch LTC 3588 với
phần tử áp điện và tụ điện có điện dung C = 1,5F, điện áp định
mức 5,5V tạo ra nguồn điện năng cung cấp cho phụ tải, theo sơ đồ
hình 4.23.

Hình 4.24. Mơ hình bộ chuyển đổi điện năng của bimorph
dạng tấm 5 lớp