Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Fe2O3, Cuo Đến Các Tính Chất Của Hệ Gốm Pzt-Pzn-Pmnn

Vật liệu

Ts (oC)		max	kp	Pr (C/cm2)	Qm
PZT-PZN-PMnN (*)	950	1319	19473	0,62	34,5	1112
PZT-PZN-PMnN [29]	1200	842	-	0,57	-	1020
PZT–PMZN [34]	1275	1150	9500	0,55		2528
PZT-PZN-PMnN [64]	1150	-	-	-	25,95	-

Có thể bạn quan tâm!

Nghiên Cứu Tính Chất Điện Môi, Sắt Điện Và Áp Điện Của Hệ Gốm Pzt-Pzn-Pmnn
Sự Phụ Thuộc Của Tính Chất Điện Môi Vào Tần Số Của Trường Ngoài
Các Thông Số Đặc Trưng Cho Tính Chất Sắt Điện Của Gốm Pzt-Pzn-Pmnn Theo Nhiệt Độ: Độ Phân Cự Dư Pr, Điện Trường Kháng Ec
Phổ Tán Xạ Raman Của Pbtio3 (A) [1]; Pb(Zr,ti]O3 (B) [67]
Các Thông Số Đặc Trưng Cho Tính Chất Sắt Điện Của Gốm Pzt-Pzn-Pmnn Pha Tạp Fe2O3: Độ Phân Cự Dư Pr, Điện Trường Kháng Ec
Ảnh Hiển Vi Điện Tử Quét Của Các Mẫu Thuộc Nhóm Mẫu Mc

Xem toàn bộ 161 trang tài liệu này.

(*) Vật liệu chế tạo, Ts: nhiệt độ thiêu kết gốm

Các kết quả nghiên cứu tính chất điện môi, áp điện và sắt điện của gốm PZT-PZN-PMnN trong chương này đã được chúng tôi báo cáo tại hội nghị “IWAMSN-2012” và công bố trong tạp chí Indian Journal of Engineering & Materials Sciences (2013) và tạp chí International Journal of Materials and Chemistry (2013).

3.4. Kết luận chương 3

Trong chương này, chúng tôi đã trình bày kết quả nghiên cứu tính chất điện môi, sắt điện và áp điện của các nhóm vật liệu MP, MZ. Các kết quả thực nghiệm đạt được thể hiện ở các nội dung sau:

- Các thông số đặc trưng cho tính chất điện môi, áp điện và sắt điện của hệ gốm PZT-PZN-PMnN đạt giá trị tốt nhất ứng với thành phần có nồng độ PZT là 0,8 mol và tỷ số Zr/Ti là 48/52.

- Qua nghiên cứu sự phụ thuộc của hằng số điện môi  vào nhiệt độ và tần số, sự phụ thuộc các tính chất sắt điện vào nhiệt độ đã chứng minh được rằng hệ vật liệu gốm PZT-PZN-PMnN đã chế tạo là một sắt điện chuyển pha nhòe.

- Các kết quả trên đây là những thông tin mới góp phần bổ sung sự hiểu biết về các tính chất đặc trưng của một hệ gốm đa thành phần kết hợp giữa

PZT và các vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe: PZN, PMnN đang được tập trung nghiên cứu hiện nay.

CHƯƠNG 4:NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA Fe2O3, CuO ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ GỐM PZT-PZN-PMnN

Trong chương này sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của Fe2O3 đến các tính chất của hệ gốm đa thành phần PZT-PZN-PMnN, đặc biệt là sự cải thiện hệ số phẩm chất Qm và tổn hao điện môi tanδ. Bên cạnh đó, nhằm giảm nhiệt độ thiêu kết của hệ gốm PZT-PZN-PMnN, ảnh hưởng của CuO đến hoạt động thiêu kết và các tính chất của hệ gốm PZT-PZN- PMnN cũng đã được nghiên cứu.

4.1. Ảnh hưởng của Fe2O3 đến các tính chất của hệ gốm PZT-PZN-PMnN

Để cải thiện hơn nữa các tính chất của gốm PZT-PZN-PMnN, đặc biệt là hệ số phẩm chất Qm và tổn hao điện môi tan, tạp Fe2O3 đã được pha vào hệ gốm 0,8Pb(Zr0,48Ti0,52)O3 – 0,125Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – 0,075Pb(Mn1/3Nb2/3)O3 +

0,7 % kl Li2CO3 thiêu kết ở 950 oC.

4.1.1. Ảnh hưởng của Fe2O3 đến cấu trúc, vi cấu trúc của hệ gốm PZT–PZN– PMnN

Hình 4.1 biểu diễn giản đồ nhiễu xạ tia X của gốm PZT-PZN-PMnN theo các nồng độ Fe2O3. Các mẫu có cấu trúc tứ giác khá hoàn chỉnh, các vạch nhiễu xạ điển hình tại góc 2θ ≈ 44o đều tách thành hai đỉnh (002)T và (200)T (Hình 4.1(b)). Khi tăng nồng độ Fe2O3, tỷ số c/a tăng như được thể hiện trong Hình 4.2(a).

Để phân tích ảnh hưởng của Fe2O3 đến cấu trúc, thành phần phần trăm pha tứ giác (TP %) được tính toán theo phương trình 2.6.

I

TP(%) 

T T

I

(200) (002)

I

(2.6)

T R

( 200) (200)

(002)

(200)

(b)

(002)

(200)

MF 6

MF 5

MF 4 MF 3

MF 2

MF 1

MF 0

(a )

0 MF 0

1 MF 1

2 MF 2

3 MF 3

4 MF 4

5 MF 5

6 MF 6

Cường độ (a.u)

001

100

101

110

111

002

200

102

201

112

211

202

220

300

Cường độ (a.u)

20 30 40 50 60 70

Gãc 2 §é )

43 .0 43 .5 44.0 44.5 45.0 45 .5 46.0

Gãc 2 §é)

Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của gốm PZT–PZN–PMnN pha tạp Fe2O3

Hình 4.2(b) biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ phần trăm pha tứ giác (TP) theo nồng độ Fe2O3. Với nồng độ Fe2O3 gia tăng tỷ số c/a (Hình 4.2(a)) và thành phần phần trăm pha tứ giác (TP) (Hình 4.2(b)) tăng.

4.12

Hằng số mạng (A )

4.10

4.08

4.06

4.04

4.02

4.00

0.0 0.1 0.2 0.3

Nồng độ Fe2O3 (%kl)

1.030

c/a

a c

1.025

1.020

1.015

1.010

0.4

100

Tỷ số c/a

Pha tứ giác (%)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Nồng độ Fe2O 3 (% kl)

Hình 4.2. Hằng số mạng (a) và nồng độ pha tứ giác (b) của gốm PZT–PZN– PMnN pha tạp Fe2O3

Từ kết quả phân tích ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) trên Hình 4.3, có thể thấy tất cả các mẫu thuộc nhóm mẫu MF đều có mật độ hạt khá đồng đều, độ xếp chặt cao. Kích thước hạt trung bình tăng khi nồng độ Fe2O3 gia tăng (Bảng 4.1). Tuy nhiên, khi nồng độ Fe2O3 gia tăng trên 0,25 % kl, độ xếp chặt của mẫu gốm giảm. Tại các biên hạt của mẫu hình thành các khe rỗng (mẫu

MF5, MF6). Đây là nguyên nhân mật độ gốm, các tính chất điện môi, sắt điện, áp điện giảm khi nồng độ Fe2O3 gia tăng trên 0,25 % kl.

MF0

MF2

MF3

MF4

MF5

MF6

Hình 4.3. Ảnh hiển vi điện tử quét của các mẫu thuộc nhóm mẫu MF

Bảng 4.1. Các kết quả tính kích thước hạt và mật độ gốm của nhóm mẫu MF từ việc phân tích SEM

Mẫu

Kích thước hạt trung bình (µm)	Mật độ (g/cm3)
MF0	1,18 ± 0,02	7,85 ± 0,02
MF1	1,52 ± 0,01	7,60 ± 0,02
MF2	1,70 ± 0,02	7,70 ± 0,01
MF3	1,75 ± 0,02	7,76 ± 0,01
MF4	2,01 ± 0,02	7,86 ± 0,01
MF5	1,91 ± 0,02	7,73 ± 0,01
MF6	2,05 ± 0,03	7,71 ± 0,02

4.1.2. Ảnh hưởng của Fe2O3 đến tính chất điện môi của hệ gốm PZT-PZN-PMnN

Sự phụ thuộc của hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan theo nồng độ

Fe2O3 đo tại nhiệt độ phòng và tại tần số 1kHz được cho ở Bảng 4.2.

Bảng 4.2. Các giá trị trung bình của hằng số điện môi và tổn hao điện môi tancủa các mẫu MF ở nhiệt độ phòng tại tần số 1kHz

Mẫu

MF0	MF1	MF2	MF3	MF4	MF5	MF6
	1310	1190	1250	1320	1400	1383	1250
Tan	0,005	0,005	0,004	0,004	0,003	0,005	0,006

Hằng số điện môi tăng dần khi nồng độ Fe2O3 tăng từ 0 % kl đến 0,25 % kl và đạt giá trị lớn nhất ( = 1400) tại nồng độ Fe2O3 là 0,25 % kl (MF4). Trong khi tổn hao điện môi tan giảm theo nồng độ Fe2O3 tăng và đạt giá trị cực tiểu (tan = 0,003) ứng với nồng độ Fe2O3 là 0,25% kl (MF4) và sau đó tan tăng.

25000

Hằng số điện môi, 

20000

15000

10000

5000

0.40

M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6

Tổn hao điện môi, tan

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

50 100 150 200 250 300 350

Nhiệt đ ộ (o C)

Hình 4.4. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi của gốm PZT- PZN-PMnN pha tạp Fe2O3

Hình 4.4 biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của hằng số điện môi và tổn hao điện môi của gốm PZT-PZN-PMnN pha tạp Fe2O3 đo tại 1 kHz. Ứng với

nồng độ Fe2O3 tăng, hằng số điện môi cực đại max tăng và đạt giá trị lớn nhất (24500) tại 0,25 % kl Fe2O3 và sau đó giảm. Sự gia tăng hằng số điện môi của gốm PZT-PZN-PMnN theo nồng độ Fe2O3 tăng được giải thích bởi sự gia tăng kích thước hạt và mật độ gốm [81]. Du và các cộng sự [21] cho rằng, sự phát triển kích thước hạt và sự gia tăng mật độ gốm là nguyên nhân cải thiện tính chất điện môi của hệ gốm 0,55Pb(Ni1/3Nb2/3)O3–0,45Pb(Zr0,3Ti0,7)O3 pha tạp Fe2O3.

Như ta đã biết, kích thước hạt tăng làm cho các vách đômen trở nên linh động và dịch chuyển dễ dàng do đó tính chất điện môi tăng [44], [81]. Từ kết quả đo hằng số điện môi theo nhiệt độ của nhóm mẫu MF trong Hình 4.4, nhiệt độ Tm của các mẫu đã được xác định (Hình 4.5). Khi nồng độ Fe2O3 tăng từ 0 đến 0,35 % kl, nhiệt độ Tm của các mẫu giảm nhẹ từ 244 đến 234 oC. Chúng ta biết rằng, nhiệt độ Tm phản ánh sự ổn định của các ion vị trí B trong khối bát diện ôxi, có thể được xác định bởi năng lượng hình thành khối bát diện đó.

260

)

250

Nhiệt độ, T C

240

230

220

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

2 3

Nồng độ Fe O (%kl)

Hình 4.5. Nhiệt độ Tm của gốm PZT-PZN- PMnN với các nồng độ Fe2O3 khác nhau

50 00

45 00

Cường độ (a.u)

40 00

35 00

30 00

25 00

20 00

15 00

10 00

50 0

MF 0

139.6

206.2

270.4

324.1

424.8

565.3

682.6

741.6

819.1

0 2 00 40 0 6 00 80 0 1 00 0

S è s ãng (cm -1 )

500 0

450 0

Cường độ (a.u)

400 0

350 0

300 0

250 0

200 0

150 0

100 0

50 0

MF 1

139.8

198.3

268.5

324.1

440.8

577.03

682.6

764.5

823.1

0 200 400 600 800 100 0

203.3

268.5

198.3

270.5

S è s ãng ( cm -1 )

7 000

6 000

Cường độ (a.u)

5 000

4 000

3 000

2 000

577.0

MF 2

60 00

Cường độ (a.u)

50 00

40 00

30 00

20 00

141.8

322.3

567.4

686.6

826.1

137.8

320.3

686.6

832.1

MF 3

444.6

1 000

0 2 0 0 4 0 0 600 800 100 0

208.3

262.8

S è s ãng ( cm -1 )

438.7

10 00

0 200 40 0 6 00 800 100 0

200.18

267.7

-1

80 00

70 00

Cường độ (a.u)

60 00

50 00

40 00

30 00

20 00

10 00

430.6

424.8

139.6

MF 4

5 000

4 500

Cường độ (a.u)

4 000

3 500

3 000

2 500

2 000

1 500

1 000

500

S è s ãng ( cm )

139.6

330.0

573.0

684.6

816.1

324.1

559.5

682.6

745.4

819.1

MF 5

0 2 00 40 0 6 00 80 0 1 00 0

S è s ãng ( cm -1 )

8000

208.3

262.8

7000

Cường độ (a.u)

139.6

6000

5000

4000

3000

2000

1000

430.6

0 200 4 0 0 600 800 10 00

S è s ã ng ( cm -1 )

330.0

573.0

684.6

816.1

M F 6

0 200 400 600 800 1000

S è s ã ng ( cm -1 )

Hình 4.6. Phổ tán xạ Raman của PZT–PZN–PMnN pha tạp Fe2O3

Theo báo cáo của Zhu và các cộng sự [91], [92], năng lượng Gibbs của khối bát diện [ FeO6 ] là thấp hơn so với [ ZrO6 ] hoặc [ TiO6 ]. Vì vậy, việc thay