gốm áp điện PZT, gốm thạch anh

background - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh

Gốm áp điện là một trong những vật liệu được sử dụng nhiều nhất hiện nay cho các máy móc hiện đại ví dụ động cơ piezo. làm sạch bằng siêu âm, siêu âm đầu dò ……
Gốm áp điện tạo ra Hiệu ứng áp điện (tiếng Anh là piezoelectric phenomena) là một hiện tượng vật lý được nhà khoáng vật học người Pháp phát hiện đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie nghiên cứu chi tiết vào năm 1880.

1. Gốm áp điện là gì ?

  • Gốm áp điện là một vật liệu có thể chuyển đổi năng lượng điện và năng lượng cơ học qua lại với nhau và tạo ra hiệu ứng áp điện . bên cạnh đó  vật liệu gốm có chức năng thông tin.
  • Thạch anh cũng được coi là một vật liệu gốm áp điện, bởi thạch anh  được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi, titan) có tính chất áp điện

2. Tính chất của gốm áp điện

  • Gốm áp điện có tính chất hóa học gần giống gốm
  • Gốm áp điện có tính chất áp điện , tính chất điện môi  và gốm áp điện còn có khả năng đàn hồi
H1aa95d45176e4bfbaa8386305439038ao - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh
Đĩa gốm áp điện đàn hồi , biến dạng và phát điện

3. Thành phần gốm áp điện PZT

  • Gốm áp điện được cấu tạo bởi 3 yếu tố: cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi, titan)
  • “PZT” là dung dịch rắn của x mol PbZrO3 và (1 – x) mol PbTiO3, nó cũng được
    viết là Pb(Zrx,Ti1-x)O3
  • Vật liệu gốm áp điện PZT có thành phần x nằm trong khoảng từ 0,49 ÷ 0,55 (vùng cận biên
    pha) có nhiều tính chất vật lý nổi bật: tại đó tồn tại đồng thời hai pha cấu trúc tứ
    giác và mặt thoi, nhiệt độ Quy-ri vào khoảng 370oC; tại đó hằng số điện môi ε/ε0, hệ
    số liên kết điện cơ bề mặt kp, các hệ số áp điện g, d, h, e,… đều đạt giá trị cực đại
  • Vật liệu gốm áp điện có thành phần nằm xa biên pha có hệ số phẩm chất cơ Qm lớn và hằng số
    điện môi ε/ε0 thấp, trong đó phía pha tứ giác (giàu Ti) có ε/ε0 cao hơn so với phía
    pha mặt thoi (giàu Zr). Tuy vậy, ở bất cứ thành phần nào, tính chất áp điện của PZT
    thuần vẫn chưa đủ mạnh để có thể ứng dụng được. Nhằm nâng cao chất lượng của
    gốm PZT, tuỳ theo yêu cầu, người ta áp dụng nhiều biện pháp pha tạp, với các kiểu
    pha tạp đồng hóa trị, pha tạp khác hóa trị hoặc pha tạp bằng các ô-xít phức. Tùy
    theo i-on pha tạp khác hóa trị, gốm PZT có thể có kp tăng (bị mềm hóa), hoặc có Qm
    tăng (cứng hóa) [127,130]
  • Phương pháp pha tạp bằng các ô-xít phức cho phép ta chế tạo được vật liệu gốm  có
    tính chất sắt điện và áp điện rất mạnh. Đó là những vật liệu gốm áp điện nhiều thành phần, là hỗn hợp của PZT với 1, 2 hoặc 3 loại sắt điện “re-la-xo” (hay re-la-xo). Re-la-xo là loại
    sắt điện có chuyển pha nhòe, nó có hằng số điện môi lớn, các tính chất điện môi của
    chúng phụ thuộc mạnh vào tần số của trường ngoài, cũng có nghĩa là có sự tán sắc
    điện môi
  • Rất nhiều pe-rov-skit phức có công thức Pb(B1,B2)O3 như
    Pb2+(B2+1/2B6+1/2)O32-, Pb2+(B3+1/2B5+1/2)O32- hoặc Pb2+(B2+1/3B5+2/3)O32-… là những
    re-la-xo. Một vật liệu là hỗn hợp của một re-la-xo với PZT hoặc PT cũng có tính rela-xo. Các vật liệu này có hiệu ứng áp điện mạnh (hệ số liên kết điện cơ kp có thể
    lớn hơn 0,60), hằng số điện môi lớn và nhiệt độ thiêu kết thấp nên chúng là đối
    tượng được quan tâm nghiên cứu và có nhiều ứng dụng thực tiễn, trong các ứng
    dụng công suất
  • Trong ứng dụng công suất, gốm áp điện đóng vai trò một phần tử dịch chuyển
    (kiểu động cơ, sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch) hoặc một biến thế (trong biến thế
    áp điện, sử dụng cả hai hiệu ứng áp điện thuận và nghịch). Điều đó đòi hỏi vật liệu
    phải có khả năng đáp ứng yêu cầu biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ
    (và ngược lại) tại vùng tần số cộng hưởng điện cơ của nó với hiệu suất cao
  • Vật liệu gốm áp điện PZT + re-la-xo được quan tâm nghiên cứu đầu tiên trên thế giới
    là PbZrO3-PbTiO3-Pb(Mn1/3Sb2/3)O3 (PZT-PMS). Nhiều nghiên cứu gốm áp điện 3
    thành phần đều cho thấy: các tổ hợp PbZrO3-PbTiO3-Pb(Mn1/3Sb2/3)O3 (PZT-PMS),
    PbZrO3-PbTiO3-Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 (PZT-PMnN) là các vật liệu áp điện công suất
    lớn [16-17,19,41,52-53,62,69,106,109,115,118-120,135]  

4. Cách chế tạo gốm áp điện

  • Gốm áp điện được chế tạo bằng cách sử dụng vật liệu của chúng dưới áp suất cơ học, điều này làm cho sự dịch chuyển tương đối của các trung tâm điện tích dương và điện tích âm bị phân cực, dẫn đến sự xuất hiện của các điện tích liên kết với các dấu hiệu trái ngược trên cả hai bề mặt của vật liệu, đó là hiệu ứng áp điện
  • Khi được phân cực, vật liệu gốm sắt điện trở thành vật liệu có cực và sở hữu
    các tính chất sắt điện và áp điện gần như những đơn tinh thể. Chúng được sử dụng
    thay thế cho các đơn tinh thể áp điện đắt tiền và khó chế tạo

5. Ứng dụng của gốm áp điện

  • Hiện nay gốm áp điện được sử dụng rộng rãi trong y học và ứng dụng quan trọng trong y học của gốm áp điện đó là máy siêu âm đầu dòSiêu âm đầu dò là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh phổ biến hiện nay có độ chính xác cao, được thực hiện với đầu dò siêu âm chuyên dụng cho phép đánh giá và phát hiện các dấu hiệu bất thường ở tử cung, buồng trứng, viêm dính phần phụ, tính trạng ứ dịch vòi trứng, chẩn đoán thai giai đoạn sớm, có giá trị cao trong việc khám và hỗ trợ điều trị vô sinh, hiếm muộn…
  • Ứng dụng gốm áp điện trong các động cơ siêu âm . Động cơ siêu âm hiện nay được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử tiêu dùng và văn phòng đòi hỏi độ quay chính xác trong một khoảng thời gian dài. Công nghệ này được áp dụng cho các ống kính nhiếp ảnh bởi nhiều công ty dưới nhiều tên khác nhau. Và Canon là một trong những người tiên phong của động cơ siêu âm
  • Một trong những ứng dụng quan trọng nhất hiện nay của gốm áp điện là dùng làm động cơ piezo. Động cơ piezo có hiệu suất cao hơn nhiều so với động cơ truyền thống , bên cạnh đấy, động cơ piezo còn rất bền và không hỏng vặt . Do vậy, trong tương lai loại động cơ này sẽ được ứng dụng rộng rãi vì các tính năng tuyệt vời của nó , và sẽ làm thay đổi cuộc sống của con người.
image - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh
Động cơ piezo cho hiệu suất cao hơn so với động cơ truyền thống
  • Ứng dụng trong các thiết bị gia dụng thông minh là cảm biến âm thanh
  • Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự: Đánh lửa và kích nổ và con quay áp điện, chế tạo ngòi nổ cho nhiều chủng loại đạn có nguyên lý nổ lõm
  • Ngoài việc được sử dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao, gốm áp điện còn được sử dụng trong các máy ép nhiệt, máy cắt hiện đại để phục vụ cho cuộc sống con người

6. Các loại gốm áp điện hiện nay

Cho đến hiện nay người ta đã tìm ra được 2 loại vật liệu gốm áp điện piezo cơ bản đó là dạng cục (như gốm) ceramic và tấm mỏng như tấm film

6.1 Gốm áp điện dạng cục

vòng gốm áp điện

%C4%91%C3%A1 %C4%91en - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh
Gốm áp điện dạng vòng có rất nhiều kích thước khác nhau

đĩa gốm áp điện

30 x 2 - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh
Đĩa gốm áp điện có rất nhiều kích thước khác nhau

gốm áp điện vuông

45 x 20 x 3 - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh
Gốm áp điện dạng vuông có nhiều kích thước khác nhau

gốm áp điện dạng que

3x3x70 - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh
Gốm áp điện dạng que có nhiều kích thước khác nhau

6.2 Gốm áp điện dạng tấm mỏng như tấm fim

image 1 - gốm áp điện PZT, gốm thạch anh
Gốm áp điện dạng film của Tập đoàn công nghệ Nhật Bản Ricoh

Tập đoàn công nghệ Nhật Bản Ricoh đã phát triển thành công loại polymer áp điện có thể chuyển hóa áp lực và rung động thành điện năng với hiệu suất cao. Đây là loại vật liệu gốm áp điện cực kỳ dẻo, linh hoạt và bền, hứa hẹn sẽ được sử dụng trong rất nhiều thiết bị điện tử khác nhau, đặc biệt là tạo tiền đề cho sự phát triển của dự án Internet of Things trong tương lai không xa.

7. Video thực tế về gốm áp điện dạng vòng

Trả lời