intTypePromotion=1
ADSENSE

Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của hệ gốm không chì BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)0,53Mn0,47]0,09O3-BaTiO3

Chia sẻ: Ni Ni | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

67
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết tập trung nghiên cứu một số tính chất vật lý của hệ gốm không chì BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)0,53Mn0,47]0,09O3-BaTiO3 (BFMT-BT). Hệ gốm không chì BFMT-BT được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống. Cấu trúc pha của BFMT-BT được khảo sát bởi nhiễu xạ tia X cho cấu trúc đơn pha perovskite.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của hệ gốm không chì BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)0,53Mn0,47]0,09O3-BaTiO3

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế<br /> <br /> Tập 3, Số 1 (2015)<br /> <br /> CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ<br /> CỦA HỆ GỐM KHÔNG CHÌ BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)0,53Mn0,47]0,09O3-BaTiO3<br /> Phan Thị Thanh Thảo1, Nguyễn Thị Nghi Nhạn2*, Nguyễn Thị Ngọc Huyền2, Nguyễn Thị Tuyết2,<br /> Nguyễn Trường Thọ3<br /> 1<br /> <br /> Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật Quảng Nam<br /> 2<br /> <br /> Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế<br /> <br /> 3<br /> <br /> Phòng Khoa học Công nghệ - Hợp tác Quốc tế, Trường Đại học Khoa học Huế<br /> *Email: beti2410@gmail.com<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Hệ gốm không chì (1-x)BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)0,53Mn0,47] 0,09O3 - xBaTiO3 (BFMT-BT) được chế<br /> tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống. Cấu trúc pha của BFMT-BT được<br /> khảo sát bởi nhiễu xạ tia X cho cấu trúc đơn pha perovskite. Khi cho thêm vào vật liệu 20%<br /> mol Bi2O3, lượng bay hơi của ion Bi3+trong quá trình nung sơ bộ và thiêu kết là từ 19,128,2% mol so với các nguyên tố khác. Ảnh hưởng của BaTiO3 lên tính chất điện của gốm<br /> BFMT-BT cũng được khảo sát. Với nồng độ BaTiO3 tối ưu là 0,3 mol và nhiệt độ thiêu kết<br /> tại 9500C tính chất điện của hệ tốt nhất: mật độ gốm 7,2g/cm3, hệ số liên kết điện cơ<br /> kp=0,24; hằng số điện môi<br /> <br /> r<br /> <br /> = 1028 và phân cực dư Pr = 10,5 C/cm2.<br /> <br /> Từ khóa: Áp điện, điện môi, hệ gốm không chì, sắt điện, sự phân cực.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Trong những năm gần đây, hệ gốm Pb(Zr0,53Ti0,47)O3 (PZT) đã được nghiên cứu ứng<br /> dụng trong nhiều thiết bị như đầu dò sensor, biến tử siêu âm v.v. do chúng có tính chất áp điện<br /> tốt [1]. Tuy nhiên, vì hệ vật liệu này có chì nên gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do PbO<br /> có độc tính cao. Do đó, việc phát triển hệ gốm không chì với các tính chất sắt điện, áp điện tốt<br /> có thể thay thế cho hệ gốm có chì là việc làm cần thiết hiện nay [2, 3].<br /> Các nghiên cứu về màng mỏng BiFeO3 (BFO) cho thấy tính sắt điện của hệ rất tốt [3,6]<br /> nhưng lại phụ thuộc nhiều vào điều kiện thực nghiệm và các tạp chất. Chủ yếu vì sự bay hơi của<br /> các chất phản ứng dẫn đến hình thành pha thứ hai và không cân bằng về hóa trị [7,8]. Mặt khác,<br /> dòng rò của BFO lớn nên khó đo chính xác tính áp điện để có thể ứng dụng vào các bộ nhớ sắt<br /> điện.<br /> Để giải quyết vấn đề trên, đã có nhiều giải pháp được đưa ra như thay Mn và Ti vào vị<br /> trí B. Trong trường hợp pha Mn vào BFO, chưa thu được đường trễ P-E do dòng rò lớn [9].<br /> Nhưng khi pha Ti vào BFO, đường trễ sắt điện P-E không bão hòa đã được quan sát thấy ở<br /> nhiệt độ phòng [10]. Tuy nhiên, cả hai hệ gốm nói trên đều chưa thể hiện tính chất áp điện tốt.<br /> Như vậy, việc chế tạo vật liệu BFO đồng pha tạp Mn và Ti (BFMT) và thử nghiệm thêm Mg dự<br /> 17<br /> <br /> Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của hệ gốm không chì …<br /> <br /> kiến sẽ cải thiện các tính chất điện môi, từ đó có thể cải thiện được tính chất sắt điện và áp điện<br /> của hệ nền BFO. Ngoài ra, các nghiên cứu đã cho thấy gốm sắt điện BaTiO3 (BT) có các tính<br /> chất điện môi và áp điện tốt [11]. Trên cơ sở đó, việc nghiên cứu chế tạo hệ gốm<br /> BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)Mn0,47]0,09O3-BaTiO3 (BFMT-BT) bằng phương pháp phản ứng pha rắn<br /> truyền thống hứa hẹn sẽ cho kết quả khả quan.<br /> <br /> 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Vật liệu ban đầu để chế tạo hệ gốm (1-x)BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)0,53Mn0,47]0,09O3 – xBaTiO3<br /> (BFMT-BT) (x = 0; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35 và 0,4) là các oxit Bi2O3, Fe2O3, BaCO3, MnO2 và TiO2<br /> (với độ tinh khiết ≥ 99%).<br /> Để chế tạo hệ gốm BFMT-BT, cần tổng hợp BFMT và BT. Để tổng hợp BT, ta nghiền<br /> hỗn hợp gồm BaCO3 và TiO2 trong 8h (máy nghiền PM 400/2) với ethanol làm chất trung gian.<br /> Hỗn hợp sau khi nghiền được nung ở nhiệt độ 12000C trong 2h. Tương tự, cân và nghiền hỗn<br /> hợp BFMT gồm Bi2O3, Fe2O3, MnO2 và TiO2 cũng trong 8h với ethanol. Để hạn chế quá trình<br /> bay hơi trong khi nung, cần thêm vào lượng bù là 20% mol Bi2O3. Sau khi nghiền cho nung sơ<br /> bộ BFMT ở 7500C trong 2h. Cuối cùng, trộn BT với BFMT theo tỉ lệ thích hợp (1-x): x mol.<br /> Như đã biết, Bi2O3 là chất dễ bay hơi ở nhiệt độ thấp, khoảng 6000C. Trong khi BFO lại<br /> cần nung sơ bộ ở một nhiệt độ thích hợp đủ lớn để có thể chuyển pha sắt điện. Vì vậy, cần phải<br /> tìm ra một nhiệt độ sơ bộ tối thiểu thích hợp cho sự chuyển pha đồng thời giảm tối đa lượng<br /> Bi3+ bay hơi.<br /> Để xác định nhiệt độ nung sơ bộ cho BFMT-BT, chúng tôi nghiên cứu dữ liệu phân tích<br /> nhiệt (TG – DTA) của bột BFMT-BT trong hình 1. Đường cong TG cho thấy khối lượng của<br /> mẫu giảm tuyến tính; đường cong DTA cho thấy đỉnh cao thu nhiệt ở 824,950C, tương ứng với<br /> nhiệt độ bay hơi của mẫu. Như vậy, để đảm bảo việc chuyển pha của hệ gốm, sau khi đã nghiền<br /> trong 8h và ép thành dạng viên, hỗn hợp dạng bột được nung sơ bộ ở nhiệt độ 8500C.<br /> <br /> Hình 1. Đường cong TG và DTA của bột BFMT-BT với tốc độ gia nhiệt 100C/phút<br /> <br /> Bột BFMT-BT sau khi nung sơ bộ được nghiền trong 16 giờ trong môi trường ethanol.<br /> Sau đó hệ vật liệu được ép thành những viên tròn có đường kính 12 mm và độ dày 1,5 mm dưới<br /> 18<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế<br /> <br /> Tập 3, Số 1 (2015)<br /> <br /> ứng suất 100 Mpa. Hệ gốm BFMT - BT được nung thiêu kết lần lượt ở các nhiệt độ 9000C,<br /> 9500C, 10000C và 10500C trong 2 giờ.<br /> Mật độ của gốm được đo bằng phương pháp Archimedes. Mẫu được phân cực trong dầu<br /> silicon ở 1200C với điện trường áp đặt 30 kVcm-1 trong 20 phút, sau đó làm lạnh xuống nhiệt độ<br /> phòng. Các tính chất tinh thể được xác định bởi giản đồ nhiễu xạ tia X (D8 Advance Bruker) ở<br /> nhiệt độ phòng. Cấu trúc hình thái học cũng được kiểm tra bởi kính hiển vi điện tử quét<br /> (FESEM; JSM-6340F). Tỷ lệ tương đối của các nguyên tố hóa học trong BFMT-BT được xác<br /> định bởi phổ tán sắc năng lượng (EDS) (Hitachi S-3400N). Các tính chất áp điện được xác định<br /> bởi các tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng sử dụng máy phân tích trở kháng (RLC Hioki<br /> 3532). Tính chất sắt điện được đo bằng phương pháp Sawyer-Tower.<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X của gốm 0,7BFMT-0,3BT được thiêu kết ở nhiệt độ<br /> 950 C trong 2 h; ta thấy gốm 0,7BFMT-0,3BT có pha perovskite tinh khiết và không xuất hiện<br /> pha thứ hai với cấu trúc mặt thoi (rhombohedral) đặc trưng bởi đỉnh (200)R ở góc 2θ ≈ 44,50<br /> (hình 2).<br /> 0<br /> <br /> Tỉ lệ tương đối giữa các nguyên tố Bi, Fe, Ti và Ba của gốm 0,7BFMT-0,3BT thiêu kết<br /> ở 950 C trong 2h được thể hiện trong phổ năng lượng EDS ở hình 3. Bằng cách tính toán các tỷ<br /> lệ mol giữa Bi với các nguyên tố hóa học khác từ các dữ liệu của phân tích phổ EDS và so sánh<br /> chúng tương ứng với tỷ lệ trong công thức hóa học của 0,7BiFe0,91[(Mg0,5Ti0,5)0,53Mn0,47]0,09O3 –<br /> 0,3BaTiO3, lượng Bi bay hơi so với các nguyên tố khác được xác định như trong bảng 1.<br /> 0<br /> <br /> Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - M2<br /> 400<br /> <br /> d=2.823<br /> <br /> d=1.415<br /> <br /> d=1.562<br /> <br /> d=1.646<br /> <br /> d=1.786<br /> <br /> d=2.303<br /> <br /> 100<br /> <br /> d=1.998<br /> <br /> d=1.629<br /> <br /> 200<br /> <br /> d=3.989<br /> <br /> Lin (Cps)<br /> <br /> 300<br /> <br /> 0<br /> 10<br /> <br /> 20<br /> <br /> 30<br /> <br /> 40<br /> <br /> 50<br /> <br /> 60<br /> <br /> 2-Theta - Scale<br /> File: M2-June.raw - Type: Locked Coupled - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.5 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi:<br /> 01-074-1957 (D) - Barium Titanium Oxide - BaTiO3 - Y: 80.03 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.98300 - b 3.98300 - c 4.01800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P4mm (9<br /> <br /> Hình 2. Phổ nhiễu xạ của gốm 0,7BFMT-0,3BT thiêu kết tại nhiệt độ 9500C trong 2 h.<br /> <br /> 19<br /> <br /> 70<br /> <br /> Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất vật lý của hệ gốm không chì …<br /> <br /> Hình 3. Phổ EDS của gốm 0,7BFMT-0,3BT với nhiệt độ thiêu kết tại 9500C trong 2 h.<br /> Bảng 1. Tỉ lệ thành phần hóa học của Bi với các thành phần khác của gốm<br /> 0,7BFMT-0,3BT thiêu kết tại nhiệt độ 9500C trong 2 h.<br /> <br /> 0,7BFMT-0,3BT<br /> <br /> Mole ratios<br /> Bi/Ba<br /> <br /> Bi/Ti<br /> <br /> Bi/Fe<br /> <br /> 2,333<br /> <br /> 2,210<br /> <br /> 1,099<br /> <br /> Thành phần thực tế 1,658<br /> <br /> 0,576<br /> <br /> 0,711<br /> <br /> Công thức hóa học<br /> Lượng tổn hao<br /> <br /> 28,2% 19,1% 26,3%<br /> <br /> Từ hình 3 và bảng 1 cho thấy lượng tổn hao Bi so với các nguyên tố khác do bay hơi trong<br /> quá trình tổng hợp của gốm BFMT-BT là 19,1-28,2% mol. Sự tổn hao tăng theo thứ tự từ Ba,<br /> Fe, Ti và Bi. Nó cũng là nguyên nhân gây bất lợi cho sự tổng hợp của gốm sắt điện liên quan<br /> đến Bi ở nhiệt độ cao.<br /> 7.6<br /> 0.65BFO-0.35BT<br /> 0.70BFO-0.30BT<br /> 0.75BFO-0.25BT<br /> <br /> 7.2<br /> <br /> 3<br /> <br /> MËt ®é(g/cm )<br /> <br /> 7.4<br /> <br /> 7.0<br /> 6.8<br /> 6.6<br /> 6.4<br /> 6.2<br /> 6.0<br /> 850<br /> <br /> 900<br /> <br /> 950<br /> <br /> 1000 o<br /> <br /> NhiÖt ®é thiªu kÕt ( C)<br /> <br /> 1050<br /> <br /> 1100<br /> <br /> Hình 4. Sự phụ thuộc mật độ gốm BFMT-BT vào nhiệt độ thiêu kết.<br /> <br /> 20<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế<br /> <br /> Tập 3, Số 1 (2015)<br /> <br /> Hình 5. Ảnh SEM của hệ gốm BFMT-BT phụ thuộc vào nồng độ BaTiO3 và nhiệt độ nung thiêu kết khác<br /> nhau : (a) 0,7BFMT-0,3BT (9000C); (b) 0,7BFMT-0,3BT (9500C); (c) 0,7BFMT-0,3BT (10000C); (d)<br /> 0,7BFMT-0,3BT (10500C); (e) 0,65 BFMT-0,35BT (9500C); (f) 0,75 BFMT-0,25BT (9500C).<br /> <br /> Sự phụ thuộc của mật độ gốm BFMT-BT vào nhiệt độ thiêu kết được hiển thị trong<br /> hình 4. Có thể thấy rằng mật độ gốm BFMT-BT thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ thiêu kết và<br /> nồng độ của BaTiO3. Mật độ gốm tăng khi tăng lượng BaTiO3. Mật độ gốm đạt cực đại (ρ = 7.2<br /> g/cm3) ở nồng độ 0,3 mol BaTiO3 tại nhiệt độ thiêu kết ở 950oC, và sau đó giảm dần. Mật độ<br /> gốm giảm dần khi nhiệt độ thiêu kết lớn hơn 950oC, nguyên nhân có thể là do sự bay hơi của<br /> Bi2O3 trong quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao hơn [ 3]. Theo kết quả trên, nhiệt độ thiêu kết tối<br /> ưu của (1-x) BFMT-xBT là 950oC.<br /> Kích thước hạt có tác động lớn đến tính chất điện môi, áp điện và sắt điện của gốm.<br /> Hình 5 cho thấy hình ảnh SEM của gốm BFMT-BT với các nồng độ BaTiO3 và nhiệt độ thiêu<br /> kết khác nhau. Kích thước hạt trung bình của các mẫu tăng lên khi nhiệt độ thiêu kết tăng, các<br /> hạt sắp xếp dày đặc hơn. Tuy nhiên, khi nhiệt độ thiêu kết tăng đến 1000oC, số lượng các lỗ<br /> hổng tăng lên một lượng lớn đồng thời mật độ của gốm giảm.<br /> <br /> 21<br /> <br />
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2