Chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu áp điện tổ hợp pzt polym

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HUẾ - 2020 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: 1. Trương Văn Chương 2. Võ Thanh Tùng HUẾ - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện tại Khoa Điện, Điện tử & Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Văn Chương và PGS.

Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Đỗ Phương Anh i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian thực hiện luận án, ngoài nỗ lực của bản thân, tác giả còn nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu, cả về vật chất lẫn tinh thần. Trước hết, xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến tập thể cán bộ hướng dẫn: TS. Trương Văn Chương và PGS.

Võ Thanh Tùng, những người Thầy luôn dành trọn trí tuệ, tâm sức của mình để hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án tiến sĩ và chương trình đào tạo. Tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, các cán bộ, giảng viên của Khoa Điện, Điện tử & Công nghệ Vật liệu, trực tiếp là Bộ môn Vật lý Chất rắn (Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế) đã tạo mọi điều kiện để luận án này được hoàn thành. Xin chân thành cảm ơn BGH Trường THPT Trần Cao Vân, Tp Quy Nhơn, Bình Định về sự ủng hộ vật chất và tinh thần trong suốt thời gian nghiên cứu sinh. Tác giả tỏ lòng biết ơn đến các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Vật lý, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế, các đồng hữu, anh chị em về những tình cảm tốt đẹp, sự giúp đỡ vô tư trong những lúc tác giả khó khăn nhất.

Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến ba, mẹ và người thân về sự hy sinh cao cả cho tác giả trên bước đường tìm kiếm tri thức khoa học, là động lực to lớn thôi thúc tác giả hoàn thành luận án này. Thành phố Huế, năm 2020 Tác giả luận án ii DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa ADP Ammonium dihydrogen phosphate AgNWs Silver Nanowires: Sợi nano bạc BBT Ba0,7Bi0.2TiO3 BCT Ba1 - xCaxTiO3 BCZT Ba0,85Ca0,15Zr0,1Ti0,9O3 BT BaTiO3 BZT BaZrxTi1 – xO3 CM Comsol Multiphysics CNTs Carbon Nanotubes CTHH Công thức Hóa học CNTs-PVDF (Polyvinylidene Fluoride) pha tạp (Carbon Nanotubes) DMF Dimethyl Formamide đvtđ Đơn vị tùy định EG Ethylene Glycol (C6H6O2) ES Electrospinning FEM Finite Element Method: Phương pháp phần tử hữu hạn FTIR Máy quang phổ hồng ngoại FWHM Full Width at Half Maximum: Độ bán rộng GO Graphene Oxide GO-PVDF (Polyvinylidene Fluoride) pha tạp (Graphite Oxide) HP Hot Pressing ITO Oxit Thiếc Indi KBT K0,5Bi0,5TiO3 KNN K0,5Na0,5NbO3 KNN-LS KNN pha tạp LiSbO3 KNN-LT KNN pha tạp LiTaO3 iii LBT Li0,5Bi0,5TiO3 MEMS Micro-Electromechanical Systems: Hệ vi cơ điện tử MPB Morphotropic Phase Boundary: Biên pha hình thái học PEO Poly Ethylene Oxide PMN Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PMN-PT Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 pha tạp PbTiO3 PT-BF 0.02)O3 PZN Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 PZN-PT Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 pha tạp PbTiO3 PVDF Polyvinylidene Fluoride PZT-PVDF Tổ hợp (Polyvinylidene fluoride) với (Lead zirconate titanate) PZT Lead zirconate titanate PNR(s) Polar Nanoregion(s): (Các) vùng phân cực vi mô PPT Polymorphic Phase Transition: Chuyển pha đa hình PZT5A Pb0.024O3 PZT5A-PVDF Pb0.024O3 trong Polyvinylidene Fluoride P(VDF-TrFE) Poly (Vinylidene Fluoridetrifluoride) P(VDF-Tefe) Poly (Vinylidene Fluoride Tetrafluoroethylene) UV-Vis Máy quang phổ tử ngoại khả kiến P(VDCN-VAC) Poly (Vinylidene Xyanua Vinylacetate) PVP Polyvinyl Pyrolidon (C6H9NO)n SEM Scanning Electron Microscope: Hiển vi điện tử quét XRD X-Ray Diffraction: Nhiễu xạ tia X iv MỤC LỤC trang LỜI CAM ĐOAN .ii DANH MỤC KÝ HIỆU .iii MỤC LỤC.v DANH MỤC BẢNG. vii DANH MỤC HÌNH. viii MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT. CÁC LOẠI VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN. VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN TỔ HỢP. Các phương thức thiết kế chế tạo vật liệu áp điện kiểu tổ hợp.

Các kiểu thiết kế biến tử. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU SỢI NANO VÀ KEO DẪN ĐIỆN. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ TỔNG HỢP MÀNG VẬT LIỆU PVDF, PVDF PHA TẠP.

Các kĩ thuật phun và một số ứng dụng. Chế tạo thiết bị quay điện E-HUSC-02. Chế tạo màng vật liệu tổ hợp. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO KEO DẪN ĐIỆN TỪ DUNG DỊCH SỢI NANO BẠC.

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất đặc trưng của sợi nano Ag. Tổng hợp màng dẫn polyme từ sợi nano bạc. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP PZT5A-PVDF.

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA MÀNG TỔ HỢP PZT5A- PVDF BẰNG KĨ THUẬT QUAY ĐIỆN. Chế tạo màng vật liệu tổ hợp PZT-PVDF bằng kỹ thuật quay điện. Nghiên cứu tính chất vật lý của màng tổ hợp PZT5A-PVDF. CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA TỔ HỢP PZT5A-PVDF BẰNG PHƯƠNG PHÁP ÉP NÓNG.

Quy trình chế tạo. Nghiên cứu tính chất vật lý của tổ hợp PZT5A-PVDF bằng kỹ thuật HP. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG BIẾN TỬ DẠNG BIMORPH VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG.

PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BẢN ÁP ĐIỆN NHIỀU LỚP. Phương pháp phần tử hữu hạn cho môi trường áp điện. Phương pháp phần tử hữu hạn cho các bản áp điện nhiều lớp. MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI DAO ĐỘNG CỦA TẤM ÁP ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM CM.

Giới thiệu chung về phần mềm CM. Thiết lập bài toán mô phỏng cho biến tử áp điện trong môi trường COMSOL Multiphysics. 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. ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI.

Xây dựng thí nghiệm xác định vận tốc trong chuyển động. Thiết kế biến tử kiểu Bimorph và Bimorph hỗn hợp trên nền gốm PZT5A. Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng dựa trên nền gốm PZT5A, bimorph dạng tấm 5 lớp phức hợp. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.

125 DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 130 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Những tính chất của các loại gốm áp điện khác nhau.

Các thuộc tính liên quan đến đầu dò dưới nước điển hình của PVDF. Các tính chất vật liệu của các polyme áp điện. Hằng số điện môi tương đối (εr), hệ số áp điện (d33, g33) và suất Young của vật liệu tổ hợp. Giá trị EC, Pr của màng CNTs-PVDF với các nồng độ CNTs khác nhau và độ gia tăng kết tinh ở 2 phương pháp: cán màng (A) và quay điện (B).

Kí hiệu mẫu đối với vật liệu GO-PVDF. Giá trị EC và Pr của P16 và P16-G7. Bảng tổng hợp hóa chất cần sử dụng, nguồn gốc, công thức hóa học (CTHH) và vai trò của chúng tương ứng. Kí hiệu mẫu và giá trị điện trở của màng dẫn điện.

Các thông số của biến tử áp điện PZT5A. Kí hiệu mẫu của tổ hợp PZT5A-PVDF bằng PPQĐ. Giá trị EC (kV/cm) và Pr (µC/cm2) của màng PZT5A-PVDF. Kí hiệu mẫu của tổ hợp PZT5A-PVDF ép nóng.

Các giá trị ρ (g/dm3), P (%), εr, d33 (pC/N), g33 (Vm/N) theo tỉ lệ khối lượng PZT5A khác nhau. Tính sắt điện của tổ hợp PZT5A-PVDF sử dụng phương pháp ép nóng. So sánh các giá trị cộng hưởng thu được từ thực nghiệm và FEM của tấm gốm áp điện PZT5A. So sánh các giá trị cộng hưởng thu được từ thực nghiệm và FEM của tấm áp điện PVDF.

Thông số kích thước các vật liệu của tấm bimorph 3 lớp. So sánh các giá trị cộng hưởng thu được từ thực nghiệm và FEM .111 của bimorph dạng tấm 3 lớp phức hợp. So sánh các giá trị cộng hưởng thu được từ thực nghiệm và FEM của bimorph dạng tấm 5 lớp phức hợp. Thông số d33 sau khi thiết kế dạng Bimorph hỗn hợp của các hệ gốm.121 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.

Cấu trúc tinh thể perovskite lý tưởng dạng ABO3. Giản đồ pha của PbZrO3-PbTiO3. Mối liên hệ giữa nồng độ PbZrO3 với các hệ số liên kết và hệ số áp điện. Sự khác biệt về mức độ âm của một nguồn thu hình trụ rỗng được chế tạo từ các vật liệu PZT khác nhau.

Cấu trúc các pha tinh thể khác nhau của PVDF. Sự chuyển đổi giữa các pha cơ bản của PVDF. Hệ số phẩm chất (FOM - dhgh) của các loại vật liệu tổ hợp áp điện. Các kiểu liên kết giữa gốm và polyme trong vật liệu tổ hợp hai pha.

Minh họa 3 mô hình kết nối tiêu biểu của vật liệu tổ hợp. Biến tử thiết kế kiểu Moonie. Các cách thiết kế biến tử (a), và các dạng biến tử Cymbal khác nhau (b). Cách thiết kế unimorph (a), tấm chuyển năng luợng PZT và sử dụng trong đế giày (b, c), thiết bị thu và phát sóng gắn trên chim (d), tấm phát điện sợi vải nano (e).

Hệ thống các biến tử (sona) 2072 để thu/phát tín hiệu, tấn công và phòng thủ được trang bị trên tàu ngầm. Các khối cơ bản của thiết bị quay điện. Quan sát đầu kim tiêm có bán kính r = 100 µm, đầu giọt và góc nón α ≈ 49o (a), hình chụp đầu phun của thiết bị E-HUSC tại Trường ĐHKH Huế (b). Một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của công nghệ quay điện.

Một số phương án thiết kế khác nhau của thiết bị quay điện. (a) Ảnh các sợi định hướng song song thu được giữa hai điện cực song song. Giọt nước trên bề mặt lá tre (b), và trên tấm Si được phủ các sợi nanô PVB (c), Ảnh SEM của các sợi nanô PVB (d) và Ảnh AFM của dãy sợi (e). (a) Hình ảnh tổ ong; (b) Mô phỏng quá trình phun điện tạo sợi; Ảnh SEM của sợi nanô chế tạo bằng quay điện ở các điều kiện khác nhau: (c) PVA, nồng độ 6%, 22 kV, trên các màng plastic; (d) PEO, nồng độ 16%, 19 kV, trên đế Al; (e) PAN, nồng độ 2%, 22 kV, trên đế Al.

Cấu tạo của máy phát áp điện và vi cấu trúc của các sợi PZT. Ảnh FE-SEM của màng NFN (a) PAA/PVA và (b) PAA, (c) hàm thay đổi tần số của cảm biến QCM phủ chất đa điện phân với suất tải của lớp phủ 600 Hz theo viii RH, (d) sự phụ thuộc vào sự thay đổi tần số của cảm biến với RH (20÷95 %) và đường thể hiện thời gian xác định thu được từ (a) .