Vật liệu

Tính cấp thiết và ứng dụng tinh thể áp điện

Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hiệu ứng thuận nghịch: khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng, và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra điện tích trên bề mặt xác định.
Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại. Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực. Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện. (VD: thạch anh)

SchemaPiezo
Một vài năm trở lại đây, hệ vật liệu áp điện không chứa chì đã được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu và đã có một số công trình được công bố như: Wenfeng Liu and Xiaobing Ren công bố trên hệ Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3); Dezhen Xue và các cộng sự công bố trên hệ Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-50(Ba0.7Ca0.3)TiO3(7); Yumei Zhou và các cộng sự công bố trên hệ Ba(Ti,Sn)O3-x(Ba,Ca)TiO3…
Các nghiên cứu về vật liệu gốm sắt điện, áp điện đã được triển khai ở một vài cơ sở nghiên cứu ở Việt Nam. Nhưng các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các hệ vật liệu chứa chì như PZT, PMN, PZT-PMN, hay PLZT (có pha kim loại đất hiếm La) nhằm mềm hóa vật liệu

hieu-ung-ap-dien-piezoelectric-effect
Trong cuộc cách mạng khoa học công nghệ hiện nay, ngành Khoa học Vật liệu nói chung và Vật liệu Điện tử nói riêng đóng một vai trò quan trọng. Trong quá trình phát triển của mình, ngành Vật liệu Điện tử đã đóng góp rất lớn cho sự phát triển chung trên thế giới, tạo ra những sản phẩm chất lượng cao, có nhiều ứng dụng, đặc biệt là chế tạo ra những vật liệu cho các ngành kỹ thuật mũi nhọn như điện tử, hàng không, du hành vũ trụ, năng lượng nguyên tử…v.v. Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu công bố các tính chất vật lý mới hết sức lý thú của các hệ vật liệu khác nhau, mở ra những triển vọng ứng dụng to lớn của các hiệu ứng điện – từ – quang, trong số đó có vật liệu áp điện.
Vật liệu áp điện là vật liệu có thể tạo ra được một điện thế tương ứng với sự biến đổi ứng suất cơ học. Mặc dù được phát hiện ra từ năm 1880 nhưng mãi đến những năm 1950 vật liệu này mới được ứng dụng rộng rãi. Trong suốt nửa thập kỷ vừa qua, vật liệu gốm PZT (PbZr1-xTixO3) được các nhà khoa học nghiên cứu và chứng minh được rằng nó có hệ số áp điện tương đối lớn (d33 = 220 ÷ 590 pC/N). Cũng chính vì thế mà hầu hết những ứng dụng áp điện, từ pin điện thoại đến kính hiển vi điện tử xuyên ngầm công nghệ cao (high-tech scanning-tunneling microscope), đều sử dụng vật liệu áp điện PZT. Tuy nhiên, Pb là một nguyên tố phóng xạ gây nguy hiểm cho con người đồng thời là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường toàn cầu nếu sử dụng nhiều. Do đó, yêu cầu cấp thiết cần đặt đối với các nhà khoa học đó là cần nghiên cứu để tìm ra vật liệu áp điện không chứa chì có hệ số áp điện cao để đưa vào ứng dụng thay cho vật liệu PZT truyền thống. Gần đây một vài vật liệu áp điện không chứa chì đã được công bố và cho được kết quả khá khả quan. Đặc biệt là hệ vật liệu không chứa chì trên nền (K,Na)NbO3 và BaTiO3.
Thông thường, hệ số áp điện lớn nhất đạt được trong vật liệu là tại vùng biên chuyển pha giữa hai pha sắt điện, thậm chí là giữa một pha sắt điện và một pha thuận điện. Tính bất ổn định của trạng thái phân cực tại vùng chuyển pha cho phép khả năng phân cực tín hiệu dưới ứng suất hoặc từ trường ngoài. Kết quả là tính chất của vật liệu (như hằng số điện môi) phụ thuộc vào sự thay đổi của độ phân cực dẫn đến hệ số áp điện có thể được cải thiện đáng kể.
Một vài nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, bên cạnh vùng biên chuyển pha giữa hai pha, hệ số áp điện lớn còn thu được tại điểm chuyển pha ba cấu trúc: Pha lập phương thuận điện (paraelectric cubic phase), trực thoi sắt điện (ferroelectric rhombohedral) và pha tứ diện (tetragonal).
Tuy nhiên, trong sự hiểu biết của chúng tôi thì hệ vật liệu áp điện không chứa chì vẫn chưa được nghiên cứu một cách thỏa đáng. Đã có một số công trình công bố trên các tạp chí quốc tế nhưng còn khá ít và rời rạc. Cơ chế vật lý để giải thích nguyên nhân gây ra hệ số áp điện lớn và các tính chất của vật liệu vẫn còn khá nhiều bất cập, cần tập trung nghiên cứu nhiều hơn, sâu hơn.
Ở trong nước, hệ vật liệu áp điện cũng đang được rất nhiều nhà khoa học thuộc các trung tâm, các viện khoa học và các trường đại học như trường Đại học Quốc Gia, Đại học Bách Khoa…tập trung nghiên cứu. Nhưng những nghiên cứu này chủ yếu vẫn dựa trên nền vật liệu PZT và cho đến nay chưa có công bố quốc tế nào liên quan về vật liệu áp điện không chứa chì của các tác giả Việt Nam. Do vậy, nhằm thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu về họ vật liệu áp điện không chứa chì và dựa trên tình hình thực tại cũng như các điều kiện nghiên cứu như thiết bị thí nghiệm, tài liệu tham khảo, khả năng cộng tác nghiên cứu với các nhóm nghiên cứu trong nước… chúng tôi cho rằng việc nghiên cứu và giải quyết các vấn đề nêu trên là hữu ích và sẽ cho nhiều kết quả khả quan. Do đó, chúng tôi đề xuất đề tài “Chế tạo vật liệu áp điện không chứa chì BZT-xBCT có hệ số áp điện lớn và nghiên cứu một số tính chất của chúng”. Chúng tôi hoàn toàn tin tưởng sẽ thực hiện thành công đề tài nghiên cứu và sẽ có những đóng góp hữu ích cho sự hiểu biết về cơ chế tương tác điện trong hệ vật liệu sắt điện, áp điện không chứa chì, cũng như mở ra khả năng ứng dụng của hệ vật liệu này trong chế tạo pin, senso … góp phần giảm ô nhiễm môi trường.

nguyen-tac-chuyen-doi-tin-hieu-loa-01 VLTM-4-20110509131853 VLTM-6-20110509131853

Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia lade, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, hầu hết các máy in hiện nay… một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làmđộng cơ piezo.
Cho đến hiện nay người ta đã tìm ra được 2 loại vật liệu piezo cơ bản đó là dạng cục (như gốm) ceramic và tấm mỏng như tấm film.

Xêm thêm sách cơ khí nhà sách Quảng Đại tự học thành tài

Post Comment