1. Trang Chủ
  2. Báo cáo khoa học
  3. Báo cáo nghiên cứu khoa học: ▪ Ảnh hưởng của nồng độ PMnN đến cấu trúc và các tính chất áp điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN

Báo cáo nghiên cứu khoa học: ▪ Ảnh hưởng của nồng độ PMnN đến cấu trúc và các tính chất áp điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN

Tuyển tập các báo cáo nghiên cứu khoa học của trường đại học huế đề tài: ▪ Ảnh hưởng của nồng độ PMnN đến cấu trúc và các tính chất áp điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN. T P CHÍ KHOA H C, ð i h c Hu , S 65, 2011 NH HƯ NG C A N NG ð PMnN ð N C U TRÚC VÀ CÁC TÍNH CH T ÁP ðI N C A H G M PZT-PZN-PMnN Phan ðình Gi , Lê ð i Vương Trư ng ð i h c Khoa h c, ð i h c Hu TÓM T T G m 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35 - x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–xPb(Mn1/3Nb2/3)O3 (vi t t t là PZT–PZN–PMnN) ñã ñư c ch t o b ng phương pháp truy

Thể loại Tài liệu miễn phí Báo cáo khoa học

Số trang 9

Ngày tạo 8/29/2018 9:52:28 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước

Tên tệp

Tải Báo cáo nghiên cứu khoa học: ▪ Ảnh hưởng của nồng ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. T P CHÍ KHOA H C, ð i h c Hu , S 65, 2011 NH HƯ NG C A N NG ð PMnN ð N C U TRÚC VÀ CÁC TÍNH CH T ÁP ðI N C A H G M PZT-PZN-PMnN Phan ðình Gi , Lê ð i Vương Trư ng ð i h c Khoa h c, ð i h c Hu TÓM T T G m 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35 - x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–xPb(Mn1/3Nb2/3)O3 (vi t t t là PZT–PZN–PMnN) ñã ñư c ch t o b ng phương pháp truy n th ng k t h p v i phương pháp columbit. nh hư ng c a n ng ñ PMnN t i c u trúc và các tính ch t áp ñi n c a v t li u ñã ñư c nghiên c u. Các k t qu th c nghi m cho th y r ng, t p ph c PMnN ñã làm thay ñ i c u trúc và tính ch t áp ñi n c a v t li u. V i n ng ñ PMnN tăng, c u trúc c a v t li u chuy n t pha t giác sang pha m t thoi, h s ph m ch t cơ h c tăng và ñ t giá tr c c ñ i t i 0,075 mol PMnN. T i n ng ñ này, t n hao ñi n môi ñ t giá tr nh nh t. Biên pha hình thái h c (MPB) c a h g m PZT–PZN–PMnN ñã ñư c xác ñ nh t i 0.075 mol PMnN. T i n ng ñ này g m có tính ch t ñi n cơ t t nh t v i kp = 0,47, d31 = 128pC/N, Qm = 1417, tanδ = 0,004 và có kh năng ng d ng ñ ch t o các bi n t siêu âm công su t. 1. M ñ u Hơn 5 năm tr l i ñây, các nhà khoa h c v t li u trên th gi i chú tr ng nghiên c u và ng d ng các h v t li u ña thành ph n, ñ c bi t là các nhóm v t li u k t h p gi a PZT và các s t ñi n relaxo như: PZN–PZT, PZT–(Mn1/3Nb2/3)O3, Pb(Mn1/3Sb2/3)O3–PZT, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PZN–PZT, (Mn1/3Nb2/3)O3 – Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – PZT,... do chúng ñáp ng các yêu c u ng d ng ch t o bi n t công su t, bi n th áp ñi n, mô tơ siêu âm… ðây là lo i v t li u có các tính ch t như t n hao tanδ th p; h ng s ñi n môi ε l n; h s ph m ch t Qm l n và h s liên k t ñi n cơ kp l n [4, 6]. Trong các nhóm v t li u trên, h v t li u PZT-PZN và PZT-PMnN ñư c nhi u nhà khoa h c trong nư c và th gi i quan tâm nghiên c u nhi u nh t [1, 2, 3, 6, 9, 10]. H v t li u PZT-PZN thư ng có h ng s ñi n môi l n, tính ch t áp ñi n và s t ñi n t t. Tuy nhiên l i có h s ph m ch t Qm th p, t n hao ñi n môi tanδ l n. Trong khi ñó, h PZT-PMnN l i có h s ph m ch t Qm cao, t n hao tanδ th p, h ng s ñi n môi th p, tính ch t áp ñi n và s t ñi n không ñư c t t. M t s các công trình nghiên c u g n ñây ñã ch ng t r ng, s k t h p hai h PZT-PZN và PZT-PMnN v i nhau là m t phương pháp hi u qu nh m t o thành m t h v t li u b n thành ph n v a có tính ch t ñi n cơ t t (Qm l n), t n hao ñi n môi bé, tính 63
  2. ch t áp ñi n t t (kp l n), tính s t ñi n t t (Pr l n) và h ng s ñi n môi cao [4, 6]. Bài báo này trình bày k t qu nghiên c u ch t o h g m áp ñi n 0.65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3– (0,35 - x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3– xPb(Mn1/3Nb2/3)O3 và kh o sát nh hư ng c a n ng ñ PMnN ñ n c u trúc, tính ch t áp ñi n c a h g m, ñ ng th i xác ñ nh n ng ñ PMnN t i ưu có tính ch t s t ñi n, áp ñi n m nh, h s ph m ch t Qm l n và t n hao tanδ th p. 2. Th c nghi m G m ñư c ch t o theo công ngh truy n th ng k t h p v i phương pháp columbit [9] có công th c 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35 - x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3– xPb(Mn1/3Nb2/3)O3. Trong ñó, x = 0,0; 0,05; 0,075; 0,10; 0,125, 0,15 và 0,20 mol (ký hi u M0, M1, M2, M3, M4, M5, M6). Nguyên li u ban ñ u là các oxit: PbO (99%), ZrO2 (99%), TiO2 (99%), Nb2O5 (99,9% Merck), ZnO (99%) và MnO2 (99%). Quá trình t ng h p dung d ch r n PZT– PZN–PMnN bao g m hai giai ño n sau: Giai ño n 1: Ch t o h p ch t Columbit ZnNb2O6 và MnNb2O6. Tr n các oxit (ZnO, Nb2O5) và (ZnO, MnO2) nghi n trong 8 gi và nung nhi t ñ 10500C trong 2 gi ñ t o thành các columbit ZnNb2O6 và MnNb2O6 tương ng. Giai ño n 2: T ng h p dung d ch r n PZT-PZN-PMnN. Tr n h n h p Columbit ñã nghi n 6 gi v i h n h p các oxit PbO, ZrO2, TiO2 theo t l ng v i m i m u. H n h p sau khi nghi n tr n 8 gi ñư c nung sơ b t i nhi t ñ 8500C trong 2 gi . Sau ñó, nghi n 16 gi , ép th y l c thành nh ng viên có ñư ng kính 12mm và nung thiêu k t t i nhi t ñ 11500C trong 2 gi . S hình thành pha c a các m u ñư c nghiên c u b i phương pháp nhi u x tia X (D8 ADVANCE), hình nh vi c u trúc c a các m u ñư c ch p b ng kính hi n vi ñi n t quét (HITACHI S-4800). Các m u g m ñư c t o ñi n c c b ng b c và phân c c trong d u silicon t i nhi t ñ 130oC, ñi n trư ng 30 kV/cm trong 15 phút. Các ph dao ñ ng c ng hư ng ñư c ño t các h ño t ñ ng hóa HIOKI 3532, Impedance HP 4193ª. 3. K t qu và th o lu n 3.1. C u trúc và vi c u trúc c a g m PZT-PZN-PMnN Hình 1 là gi n ñ nhi u x tia X c a các m u g m PZT-PZN-PMnN tương ng v i các n ng ñ PMnN khác nhau. T hình 1 cho th y, pha perovskit t n t i ch y u trong các m u g m. Tuy nhiên, bên c nh ñó v n còn có pha th hai PbO v i hàm lư ng khá nh . 64
  3. P h a p e r o v s k ite Pha PbO d− C−êng ®é (a.u) M5 M4 M3 M2 M1 M0 20 30 40 50 60 70 80 2 θ (® é ) Hình 1. Gi n ñ nhi u x tia X c a các m u g m PZT-PZN-PMnN Trên hình 2 là gi n ñ nhi u x tia X c a các m u g m t i góc 2θ lân c n 450. T hình 1 và hình 2 cho th y, tương ng v i n ng ñ PMnN tăng t 0 ñ n 0,05 mol (m u M0 và M1) g m có c u trúc t giác ñư c ñ c trưng b i hai ñ nh (002)T và (200)T t i góc 2θ lân c n 450. Tuy nhiên, khi n ng ñ PMnN tăng trên 0,075 mol (m u M4, M5), các ñ nh (002)T và (200)T bi n m t ch còn l i ñ nh ñơn (200)R ñ c trưng c a c u trúc m t thoi [4, 6]. (200)R (200) R C−êng ®é (a.u) M5 (200) R M4 (200) R (002) T M3 (200)T (200) T (002) T M2 M1 (002) T (200) T M0 42 44 46 2 θ ( ®é) Hình 2. Gi n ñ nhi u x tia X c a các m u g m PZT-PZN-PMnN t i lân c n góc 2θ = 450 Bên c nh ñó k t qu cũng cho th y r ng, ñ nh (200)R c a pha m t thoi ng v i m u M2 như ñư c m r ng và có cư ng ñ l n, nguyên nhân là do s ch ng ph c a các ñ nh (200)R m t thoi và (002)T, (200)T t giác. ði u ñó ch ng t r ng, c hai pha t giác và m t thoi ñ ng th i t n t i trong thành ph n ng v i m u M2, có nghĩa ñây là thành ph n ng v i biên pha hình thái h c c a v t li u. Khi pha PMnN vào h g m PZT-PZN, PMnN ñóng vai trò t p ph c c ng thay th vào v trí B (Ti4+ và Zr4+) trong c u trúc perovskit ph c. Khi n ng ñ PMnN tăng trên 0,075 mol, t i lân c n góc 2 θ ≈ 450 các ñ nh (002)T và (200)T bi n m t ch còn l i ñ nh ñơn (200)R. Hi n tư ng này ch ng t , r ng t p ph c PMnN ñã gây ra s bi n ñ i 65
  4. c u trúc c a v t li u t pha t giác sang pha m t thoi. Có th gi i thích khi pha PMnN vào h PZT-PZN, các ion Mn và Nb s thay th vào v trí B (Ti4+ và Zr4+) trong c u trúc perovskit ph c. Do không có s phù h p v kích thư c c a các ion nên ñã làm méo m ng tinh th , k t qu là tr c c ng n l i và tr c a tăng lên (hình 3) d n ñ n có s d ch chuy n t pha t giác sang pha m t thoi. 4.11 c 4.10 H»ng sè m¹ng a, c (A ) o 4.09 4.08 4.07 4.06 4.05 4.04 a 4.03 4.02 CÊu tróc tø gi¸c 4.01 CÊu tróc mÆt thoi 4.00 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Nång ®é PMnN(% mol) Hình 3. S ph thu c c a h ng s m ng c a h g m PZT-PZN-PMnN vào n ng ñ PMnN 3.2. Tính ch t áp ñi n c a h g m PZT-PZN-PMnN ð xác ñ nh tính ch t áp ñi n c a v t li u, ph c ng hư ng c a các m u ñã ñư c ño t i nhi t ñ phòng. Hình 4 và hình 5 là k t qu ño ph c ng hư ng dao ñ ng radian và ph c ng hư ng dao ñ ng theo b dày c a các m u t i nhi t ñ phòng. T các ph dao ñ ng, h s liên k t ñi n cơ kp, kt, h s áp ñi n d31, h s ph m ch t Qm ñã ñư c xác ñ nh. K t qu cho hình 6, hình 7 và hình 8. 100 100 M1 80 M1 80 M0 5 10 M0 4 10 60 60 40 40 4 Gãc pha θ (®é) 10 Gãc pha θ (®é) 20 Z (Ω) 20 Z (Ω) 3 10 0 3 0 10 -20 -20 2 10 -40 -40 2 10 -60 -60 1 10 -80 -80 -100 1 -100 10 215 220 225 230 235 240 245 250 200 200 210 220 230 240 250 TÇn sè (KHz) TÇn sè (KHz) 66
  5. 100 100 80 MM2 80 2 M3 3 M 5 5 10 10 60 60 40 4 10 4 40 Gãc pha θ (®é) 10 Gãc pha θ (®é) Z (Ω) 20 Z (Ω ) 20 3 10 0 3 10 0 -20 -20 2 10 2 -40 10 -40 -60 1 10 -60 1 10 -80 -80 0 10 -100 -100 220 230 240 250 220 220 230 240 250 TÇn sè (KHz) TÇn sè (KHz) 100 100 M5 M5 80 10 M4 5 5 80 10 M4 60 60 Gãc pha θ (®é) 4 40 10 4 Gãc pha θ (®é) 10 40 Z (Ω) 20 Z (Ω) 20 3 10 0 3 10 0 -20 -20 2 10 -40 2 10 -40 -60 1 10 -60 -80 1 10 -80 -100 0 10 230 235 240 245 250 255 -100 225 225 230 235 240 245 250 TÇn sè (KHz) TÇn sè (KHz) Hình 4. Ph dao ñ ng radian c a các m u g m PZT – PZN – PMnN 1400 7000 M0 M1 1200 6000 1000 5000 Z(Ω) Z(Ω) 800 4000 3000 600 2000 400 1000 200 0 0 -1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 TÇn sè (MHz) TÇn sè (MHz) 30000 10000 M2 M3 25000 8000 20000 Z(Ω) Z(Ω) 6000 15000 4000 10000 2000 5000 0 0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 TÇn sè (MHz) T n s (MHz) 67
  6. 10000 4000 M5 M4 3500 8000 3000 Z(Ω) 2500 Z(Ω) 6000 2000 4000 1500 1000 2000 500 0 0 -500 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 TÇn sè (MHz) TÇn sè (MHz) Hình 5. Ph dao ñ ng theo b dày c a các m u g m PZT – PZN- PMnN Hình 6 và 7 bi u di n s ph thu c c a h s liêt k t ñi n cơ kp, kt và h s áp ñi n d31 theo n ng ñ PMnN. Khi n ng ñ PMnN tăng, h s liêt k t ñi n cơ kp, kt và h s áp ñi n d31 ñ u gi m. ðây là m t trong nh ng ñ c tính c a v t li u khi pha t p c ng [11]. ði u ñó ch ng t r ng, t p ph c PMnN ñã làm tăng tính c ng c a h v t li u PZT- PZN. 260 HÖ sè liªn kÕt ®iÖn c¬ kt, kp 0.60 HÖ sè ¸p ®iÖn d31 (pC/N) 240 kt 0.55 220 kp 200 0.50 180 0.45 160 0.40 140 120 0.35 100 0.30 80 0.25 60 0.20 40 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 N ng ñ PMnN (%mol) N ng ñ PMnN (%mol) Hình 6. S ph thu c c a h s liên k t Hình 7. S ph thu c c a h ng s áp ñi n d31 ñi n cơ kp và kt theo n ng ñ PMnN theo n ng ñ PMnN Hình 8 là s ph thu c c a h s ph m ch t cơ Qm và t n hao ñi n môi tanδ theo n ng ñ PMnN. K t qu kh o sát cho th y, n ng ñ PMnN ñã c i thi n tính ch t cơ và làm gi m t n hao ñi n môi c a v t li u. Tương ng v i n ng ñ PMnN tăng, Qm tăng d n và ñ t giá tr c c ñ i 1417 ng v i n ng ñ PMnN là 7,5% mol. Sau ñó, gi m khi n ng ñ PMnN tăng. T n hao ñi n môi tanδ gi m m nh ng v i n ng ñ PMnN tăng và ñ t giá tr c c ti u 0,004 ng v i n ng ñ PMnN là 7,5% mol. Sau ñó, tanδ tăng khi n ng ñ PMnN tăng. Theo k t qu phân tích c u trúc trên, thành ph n có n ng ñ 7,5% mol PMnN là thành ph n ng v i biên pha hình thái h c, chính do hi u ng biên pha hình thái h c ñã c i thi n tính ch t cơ ñi n c a v t li u. Khi n ng ñ PMnN l n hơn 7,5% mol, hi u ng biên pha hình thái h c không còn m nh, do ñó h s ph m ch t Qm gi m, t n hao tanδ tăng [4]. 68
  7. 0.020 1600 Tæn hao ®iÖn m«i tanδ 0.018 1400 HÖ sè phÈm chÊt Qm 0.016 1200 0.014 1000 0.012 0.010 800 0.008 600 0.006 400 0.004 200 0.002 0.000 0 0 5 10 15 20 Nång ®é PMnN (%mol) Hình 8. S ph thu c c a h s ph m ch t Qm và t n hao ñi n môi theo n ng ñ PMnN Khi ñưa PMnN vào h PZT-PZN, các ion Mn s thay th vào v trí B (Ti4+ và Zr4+) trong c u trúc perovskit. ð bù tr ñi n tích, trong m ng tinh th s có s t o ra các vacancy oxy. Các vacancy oxy này s gây nên bi n d ng ñ nh x m ng tinh th và ngăn c n s chuy n ñ ng c a các vách ñômen. Bên c nh ñó, t p c ng còn làm gia tăng ñi n tích không gian bên trong các h t g m t o nên ñi n trư ng n i cũng góp ph n ngăn c n s d ch chuy n c a các vách ñômen làm gi m tính áp ñi n, gia tăng h s ph m ch t cơ Qm và làm gi m t n hao ñi n môi tanδ [4, 8]. 4. K t lu n nh hư ng c a PMnN lên c u trúc và tính ch t áp ñi n c a h g m 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35 - x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–xPb(Mn1/3Nb2/3)O3 ñã ñư c nghiên c u. Các k t qu ñ t ñư c như sau: - G m ch t o có pha peroskit là ch y u, bên c nh v n còn t n t i pha PbO v i hàm lư ng khá nh . T p PMnN ñã làm thay ñ i c u trúc c a v t li u t pha t giác sang pha m t thoi. ðã xác ñ nh ñư c biên pha hình thái h c c a h g m ng v i n ng ñ PMnN là 0,075mol - H s liên k t ñi n cơ kp, kt và h s áp ñi n d31 gi m ng v i n ng ñ PMnN tăng. T p PMnN là t p ph c c ng. - Xác ñ nh ñư c n ng ñ PMnN t i ưu là 0,075 mol (m u M2). T i n ng ñ này, h s ph m ch t cơ Qm có giá tr c c ñ i (Qm = 1417), t n hao ñi n môi c c ti u (tanδ = 0,004), các thông s áp ñi n: d31 = 128 pC/N, kp = 0,48, kt = 0,37. V t li u có thành ph n ng v i n ng ñ 0,075 mol PMnN có th ng d ng ñ ch t o các bi n t siêu âm công su t và các bi n th áp ñi n. 69
  8. TÀI LI U THAM KH O [1]. Chang L.M., Hou Y.D, Zhu M.K., and Yan H, Effect of sintering temperature on the phase transition and dielectrical response in the relaxor-ferroelectric-system 0,5PZN– 0,5PZT, Journal of applied physics 101, (2007). [2]. Cheng-Che Tsai a, Sheng-Yuan Chub, Chih-Kuo Liang, Low-temperature sintered PMnN-PZT based ceramics using the B-site oxide precursor method for therapeutic transducers, Journal of Alloys and Compounds, (2009), 1-7. [3]. Feng Gao, Li-hong Cheng, Rong-zi Hong, Jiaji Liu, Chun-juan Wang and Changsheng Tian, Crystal structure and piezoelectric properties of xPb(Mn1/3Nb2/3)O3 – (0,2 − x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – 0,8Pb(Zr0,52Ti0,48)O3 ceramic, Ceramics International 35, (2009), 1719–1723. [4]. Phan ðình Gi và Hoàng Th Minh Tâm, nh hư ng c a t p La ñ n c u trúc và các tính ch t áp ñi n c a h g m PZN-PZT, H i ngh V t lý ch t r n và Khoa h c v t li u toàn qu c l n th 6 (SPMS-2009), ðà N ng 8-10/11/2009. [5]. Phan Dinh Gio, Vo Duy Dan, Some dielectric, feroelectric, piezoelectric of 0,35PZN- 0,65PZT ceramic, Journal of Alloys and Compounds, (2006). [6]. Grinberg I., Shin Young-Han, and Rappe A.M., Molecular Dynamics Study of Dielectric Response in a Relaxor Ferroelectric. PRL 103, (2009). [7]. Houa Y. D., Zhua M. K., Tian C. S., Yan H. Structure and electrical properties of PMZN–PZT quaternary ceramics for piezoelectric transformers, Sensors and Actuators A 116, (2004), 455-460. [8]. Huiquiing Fan and Hyoun-Ee Kim, Effect of Lead content on the structure and electrical properties of Pb((Zn1/3Nb2/3)0,5(Zr0,47Nb0,53)0,5)O3 ceramics, Journal.J. Am. Ceram. Soc. 84 (3), (2001), 636-638. [9]. Muanghlua R., Niemchareon S., Vittayakorn W. C. and Vittayakorn N., Effects of Zr/Ti Ratio on the Structure and Ferroelectric Properties in PZT-PZN-PMN Ceramics Near the Morphotropic Phase Boundary, Advanced Materials Research, Vols. 55-57, (2008), 125-128. [10]. Vittayakorn N. and Bongkarn T., Phase Formation and Crystal Structure of 0,9PZT- 0,1PZN Powders Prepared by Columbite Precursor, NU Science Journal, 2(2), (2006), 157-164. [11]. Yuhuan XU, Ferroelctric Materials and Their Applications, North-Holland, Amsterdam-London-Newyork-Tokyo, 1991. 70
  9. EFFECT OF PMnN CONTENT ON THE STRUCTURE AND PIEZOELECTRIC PROPERTIES OF PZT-PZN-PMnN CERAMICS Phan Dinh Gio, Le Dai Vuong College of Sciences, Hue University SUMMARY The 0,65Pb(Zr0,47Ti0,53)O3–(0,35- x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – xPb(Mn1/3Nb2/3)O3 (PZT–PZN– PMnN) ceramics was prepared using the columbite precursor method and the conventional method. The effect of PMnN content on the crystal structure and piezoelectric properties was investigated. Experimental results indicated that PMnN complex doping changed the structure and piezoelectric properties of the specimens. With content of PMnN increased, the crystal structure changes from tetragonal to rhombohedral, the mechanical quality factor (Qm) increases and reaches its highest value at 0,075mol PMnN, while dielectric loss tanδ has minimum value at this content. The morphotropic phase boundary (MPB) of PZT–PZN–PMnN ceramics occurs at the content of 0,075mol PMnN. The ceramic with composition 0,65PZT- 0,275PZN-0,075PMnN has the optimal electromechanical properties, kp = 0,47, d31 = 128pC/N, Qm = 1417, tanδ = 0,004, which makes it a promising material for high power piezoelectric devices. 71
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược