Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT được thực hiện bằng phương pháp phát triển hạt trên khuôn định hướng Bi4Ti3O12. Với mục tiêu nâng cao hơn nữa các tính chất sắt điện cũng như hiệu suất lưu trữ năng lượng của hệ gốm BNKT-BCZT.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 20, Số 1 (2022) ĐẶC TRƯNG LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ GỐM (1-x)BNKT-xBCZT Lê Thị Duy Thảo1,2, Hồ Thị Kim Phụng3, Lê Đại Vương3* 1 Trường THCS và THPT Võ Văn Kiệt, Huyện Sông Hinh, Tỉnh Phú Yên 2 Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế 3Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế *Email: ledaivuongqb@gmail.com Ngày nhận bài: 5/11/2021; ngày hoàn thành phản biện: 8/12/2021; ngày duyệt đăng: 4/4/2022 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, hệ gốm không chì (1-x)Bi0,5(Na0,4K0,1)TiO3 - x(Ba0,844Ca0,156)(Zr0,096Ti0,904)O3 (BNKT-BCZT, với x = 0,0; 0,025; 0,05; 0,075 và 0,1) đã được chế tạo sử dụng kỹ thuật định hướng. Ảnh hưởng của nồng độ BCZT đến cấu trúc, vi cấu trúc và tính chất lưu trữ năng lượng của hệ gốm đã được khảo sát. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tất cả các mẫu đều có pha perovskit tinh khiết với cấu trúc pha thay đổi từ cấu trúc mặt thoi (R3c) sang cấu trúc tứ giác (P4bm) trong vùng nồng độ BCZT từ 0 đến 0,10 mol bằng kỹ thuật tinh chỉnh Rietveld của các mẫu XRD. Tại nồng độ x = 0,05 mol, hệ gốm có tính chất điện môi tốt nhất: Độ phân cực dư Pr = 21,1 µC/cm2; Điện trường kháng Ec = 7,6 kV/cm; Mật độ năng lượng đạt 0,43 J/cm3; Hiệu suất lưu trữ năng lượng của vật liệu đạt 50,7%. Việc pha tạp BCZT đã cải thiện mật độ lưu trữ năng lượng của gốm BNKT gần 400% so với gốm BNKT không pha tạp. Từ khóa: Gốm không chì; BNKT-BCZT; Mật độ lưu trữ năng lượng; Hiệu suất lưu trữ năng lượng; Tính chất sắt điện. 1. MỞ ĐẦU Gốm áp điện là loại vật liệu chức năng đặc biệt đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử, chúng là một lĩnh vực mới trong khoa học vật liệu. Trong số các vật liệu này, PZT được quan tâm hơn cả do nó sở hữu các tính chất áp điện tuyệt vời [1- 3]. Tuy nhiên, việc sử dụng các vật liệu chứa chì đang gây ra những vấn đề môi trường nghiêm trọng do độc tính của chì. Vì vậy, việc phát triển các hệ vật liệu không chì với các tính chất áp điện tốt để thay thế cho PZT đang được đặt ra bức thiết. Gần đây, các vật liệu không chì đã trở thành đối tượng nghiên cứu chính và đã có nhiều vật liệu được chế tạo bao gồm các sắt điện có cấu trúc perovskite. Về cơ bản, tính chất áp điện của các 51
Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT vật liệu không chì vẫn kém hơn hẳn so với vật liệu chứa chì. Hệ vật liệu (Ba0,844Ca0,156)(Zr0,096Ti0,904)O3 (BZT-BCT) có hệ số áp điện d33 đạt giá trị 620 pC/N khi x = 50%, cao hơn cả giá trị thu được trên PZT-5H. Các tác giả còn nhận định, hệ số áp điện d33 của thành phần BZT-50BCT ở dạng đơn tinh thể hoặc định hướng theo một số phương tinh thể xác định (texture) có thể đạt giá trị 1500 pC/N. Trong các vật liệu gốm truyền thống, các hạt định hướng ngẫu nhiên, và các tính chất đo được chính là giá trị trung bình của tất cả các hạt. Các tính chất của gốm (đa tinh thể) luôn nhỏ hơn so với đơn tinh thể [4]. Bằng cách sử dụng kỹ thuật định hướng sự phát triển tinh thể của vật liệu (tức là sự sắp xếp cùng hướng trục tinh thể trong các hạt theo một định hướng xác định), gốm đa tinh thể có các tính chất áp điện lớn hơn so với gốm truyền thống, gần tương tương với các vật liệu đơn tinh thể [5-7]. Cho đến nay, kỹ thuật định hướng được xem là chìa khóa để nâng cao các hệ số áp điện của các hệ vật liệu không chì. Gốm sắt điện được sử dụng rộng rãi trong các tụ điện lưu trữ năng lượng do mật độ công suất lớn và tốc độ sạc / xả nhanh [8]; Hệ gốm sắt điện trên cơ sở Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3 (BNKT) có đặc điểm là độ chênh lệch giữa độ phân cực dư Pr và độ phân cực tự phát Ps lớn. Do đó, đây là loại vật liệu có tiềm năng trong việc cải tiến mật độ lưu trữ năng lượng. Kushvaha và cộng sự [9] đã chế tạo thành công hệ gốm (1-x)Bi0,5(Na0,5K0,5)0,5TiO3 – xBa0,9Ca0,1Ti0,9Zr0,1O3 bằng phương pháp gốm thông thường. Các thành phần có x = 0,02 hoặc 0,04 cho thấy hiệu suất lưu trữ năng lượng cao hơn (~ 50%) so với các thành phần khác được nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, việc tổng hợp gốm định hướng không chứa chì (1- x)[Bi0,5(Na0,4K0,1)TiO3] – x[(Ba0,844Ca0,156)(Zr0,096Ti0,904)O3] (BNKT-BCZT, với x = 0,0; 0,025; 0,05; 0,075 và 0,1) được thực hiện bằng phương pháp phát triển hạt trên khuôn định hướng Bi4Ti3O12. Với mục tiêu nâng cao hơn nữa các tính chất sắt điện cũng như hiệu suất lưu trữ năng lượng của hệ gốm BNKT-BCZT. 2. THỰC NGHIỆM Trong nghiên cứu này, các khuôn Bi4Ti3O12 được tổng hợp từ các oxit Bi2O3 (99%), TiO2 (99%) bằng phương pháp muối nóng chảy [10] với sự hỗ trợ của hỗn hợp muối Na2CO3 - K2CO3. Bột Bi4Ti3O12 và bột (1-x)Bi0,5(Na0,4K0,1)TiO3 - x(Ba0,844Ca0,156) (Zr0,096Ti0,904)O3 (BNKT-BCZT, với x = 0,0; 0,025; 0,05; 0,075 và 0,1) đã được xác định trước được trộn với nhau và được nghiền bi trong 20 giờ trong môi trường ethanol. Sau đó, bột được sấy khô và nung sơ bộ ở 850 ºC trong 2 giờ để tạo thành hợp chất BNKT-BCZT. Chất kết dính (10% khối lượng) được trộn với hỗn hợp trên và khuấy từ trong thời gian 1 giờ sao cho tạo ra một dung dịch huyền phù đồng nhất. Sau đó, cán dung dịch trên các tấm gạch men hoặc tấm kính với độ dày khoảng vài trăm micro mét tạo thành những tấm mỏng. Các màng này được để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Sau đó, các màng được cắt hình tròn có đường kính 12 mm và được xếp chồng với nhau khoảng 40-45 lớp màng, sau đó ép tạo thành viên gốm có độ dày khoảng 2 mm với đường kính 12 mm. Gốm được thiêu kết tại nhiệt độ 1100 oC trong 3 giờ. 52
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 20, Số 1 (2022) Mật độ gốm của các mẫu được xác định bằng phương pháp Achimedes. Sự hình thành pha của vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (D8 ADVANCE). Việc phân tích cấu trúc được thực hiện bằng phương pháp sàng lọc Rietveld. Các tính chất điện môi của hệ gốm được đo bằng hệ đo tự động hóa RLC HIOKI 3532, HP 4193A. Tính chất sắt điện được khảo sát bằng phương pháp Sawyer-Tower. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Như đã trình bày ở Hình 1(a) về sơ đồ chế tạo hệ gốm không chì định hướng BNKT-BCZT. Trong phương pháp này, chúng tôi đã sử dụng khuôn Bi4Ti3O12 (BiT) và bột BNKT-BCZT (Bi2O3, TiO2, ZrO2, Na2CO3, K2CO3 BaCO3 và CaCO3 với độ tinh khiết ≥ 99,5%) làm nguyên liệu ban đầu. Các hạt BNKT-BCZT sẽ lấp đầy khoảng trống giữa khuôn mẫu Bi4Ti3O12 và ngăn chặn sự sắp xếp sít lại của các hạt BiT, tức là tránh sự tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt BiT với nhau [11]. Hình 1. Quy trình chế tạo gốm định hướng Trong quy này cần lưu ý là việc bổ sung các chất liên kết để cán màng là cần thiết, tuy nhiên việc tồn tại chúng trong gốm ảnh hưởng đến cấu trúc, vi cấu trúc và các tính chất của gốm. Do đó, trong quá trình nung thiêu kết cần loại bỏ nó ra khỏi gốm. Theo giản đồ phân tích nhiệt DTA và TGA của màng BNKT hình 1(h), đường cong DTA có các đỉnh hấp thụ nhiệt tại 69,15°C, tương ứng với sự bay hơi nước (loại bỏ các phân tử 53
Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT nước) trong mẫu [12], trọng lượng của mẫu giảm khoảng 0,7% khối lượng. Vùng chuyển tiếp thứ hai ở khoảng 238 °C có thể liên quan đến việc giải phóng các nhóm acetyl [13], tổng khối lượng giảm tương ứng với giai đoạn này khoảng 5,78%. Đỉnh tỏa nhiệt thứ ba tại 331,51°C, do sự suy giảm cấu trúc các lớp màng [14]. Ở giai đoạn cuối, các lớp màng phân hủy thành oxit carbon và hydrocacbon dễ bay hơi ở nhiệt độ trên 360°C với đỉnh tỏa nhiệt ở 432,3°C. Trong thực tế, việc sử dụng nhiệt độ khử chất hữu cơ tại 432,3°C và ủ trong 2 giờ sẽ không cho mẫu có các tính chất như mong muốn. Vấn đề này có thể do khi phân tích DTA và TGA, nhiệt độ được tăng đều với tốc độ 10oC/phút và không có thời gian lưu nhiệt, vì vậy với một khối lượng mẫu nhỏ, trong thời gian này phản ứng tạo pha đã xảy ra. Tuy nhiên, đối với khối lượng mẫu lớn, với nhiệt độ nung sơ bộ 432,3°C trong thời gian 2 giờ là không đủ để loại bỏ các chất kết dính hữu cơ trong các mẫu. Vì vậy, để có mẫu gốm với chất lượng tốt thường chọn nhiệt độ khử các chất kết dính hữu cơ trong các mẫu là 550°C và lưu trong 2 giờ. Hình 2(a) biểu diễn mật độ của gốm ở các nồng độ khác nhau. Mật độ của gốm tăng khi nồng độ BCZT tăng và đạt giá trị cao nhất là 5,97 g/cm3 (ứng với mật độ tương đối 99,1% giá trị lý thuyết) như thể hiện trong Hình 2 (a). Điều này là kết quả của các cơ chế gia tăng mật độ, và là kết quả của sự co lại do nhiệt [15]. Hình 2. (a) Mật độ và (b) Giãn đồ nhiễu xạ tia X của gốm BNKT-BCZT Hình 2(b) biểu diễn đỉnh nhiễu xạ 2 từ 20 đến 65º của gốm (1-x)BNKT-xBCZT với các nồng độ BCZT khác nhau. Như đã thấy với gốm BZCT thể hiện gồm hỗn hợp cấu trúc giả lập phương (Pm3m) và cấu trúc tứ giác (P4/mmm), được chứng minh bằng sự cùng tồn tại của đỉnh (200)pc và đỉnh kép (200)T/(002)T, phù hợp với kết quả trước đó [16, 17]. Khi nồng độ BCZT là 0,0 mol (chỉ có nền BNKT), gốm xuất hiện đỉnh đơn (200)R trên giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy đã có sự hình thành pha mặt thoi ((R3c)). Cường độ đỉnh (200)R giảm dần khi tăng nồng độ BCZT. Với sự gia tăng của hàm lượng BCZT, cấu trúc pha biến đổi từ cấu trúc mặt thoi (R3c) sang cấu trúc tứ giác (P4bm), bằng chứng là một đỉnh (200)R tách ra thành đỉnh (002)T và (200)T. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với công bố của Kushvaha và cộng sự [9] trong gốm (1-x)Bi0,5(Na0,5K0,5)0,5TiO3– xBa0,9Ca0,1Ti0,9Zr0,1O3 và Pal và cộng sự [18] trong gốm (1-x)(Bi0,96La0,04)0,5Na0,5TiO3) 54
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 20, Số 1 (2022) −x(Ba0,90Ca0,10TiO3). Như vậy trong khoảng nồng độ từ 0,025 đến 0,075 mol BCZT, các pha tứ giác (P4bm) và mặt thoi (R3c) cùng tồn tại trong mẫu, chứng tỏ rằng các thành phần này nằm tại biên pha hình thái học (MPB). Tuy nhiên, với nồng độ BCZT lớn hơn 0,075 mol, đỉnh đơn (200)R giảm rất mạnh còn các đỉnh tứ giác (002)T và (200)T tăng với hàm lượng trên 90%. Để quan sát sự định hướng của gốm BNKT-BCZT, hình thái bề mặt của các mẫu đã được phân tích (Hình 3). Như có thể thấy trong hình 3(a), kích thước hạt của gốm BNKT khoảng 1 µm, được tổng hợp theo phương pháp truyền thống và thiêu kết 1150 C trong 3 giờ. Tuy nhiên, trong gốm có kết cấu thể hiện trong Hình 3(b – f), kích thước hạt của gốm lớn hơn khoảng mười lần so với gốm BNKT ngẫu nhiên. Cơ chế hình thành hạt gốm định hướng được lý giải theo cơ chế phát triển hạt lan dần trong quá trình phản ứng pha rắn, sự phát triển hạt tuân theo định hướng của các khuôn BiT ban đầu [19]. Hussain và cộng sự. [20] báo cáo rằng trong quá trình cán màng của hỗn hợp BNKT, các khuôn Bi4Ti3O12 sắp xếp song song với hướng cán. Trong quá trình thiêu kết, các khuôn Bi4Ti3O12 kết hợp với Bi2O3, TiO2, ZrO2, Na2CO3, K2CO3, BaCO3, và CaCO3 để tạo thành hạt tấm BNKT – BCZT. Sự phát triển kết cấu với cấu trúc dạng tấm có liên quan chặt chẽ đến đặc tính sinh trưởng của hạt [21]. Lee và cộng sự [22] cho rằng các hạt ma trận tạo mầm trên bề mặt tiểu cầu, tạo thành một lớp kết cấu. Các hạt ma trận nhỏ có xu hướng hòa tan và khuếch tán vào bề mặt của các hạt khuôn lớn, dẫn đến tăng trưởng liên tục [23]. Tuy nhiên, với hàm lượng BCZT tăng liên tục, kích thước hạt giảm và độ xốp tăng lên. Lý do khả dĩ có thể là sự va chạm giữa các hạt BCZT lớn, cản trở sự phát triển của hạt của chất nền. Ngoài ra, việc sắp xếp lại các tiêu bản dạng tấm trong quá trình thiêu kết sẽ tạo ra các lỗ rỗng [11]. Hình 3. Ảnh vi cấu trúc của gốm (1-x) BNKT-xBCZT: a) gốm BNKT không định hướng thiêu kết tại 1150 C; Các gốm định hướng: b) x = 0.0; c) x = 0.025; d) x = 0.05; e) x = 0.075; f) x = 0.10 55
Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT Hình 4. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của các mẫu đo tại các tần số khác nhau Trên hình 4 là sự phụ thuộc của hằng số điện môi  và tổn hao điện môi tan vào nhiệt độ của các mẫu đo tại các tần số 1, 10, 100 và 500 kHz. Như đã thấy, phổ hằng số điện môi  không có đỉnh cực đại sắc nét và khi nhiệt độ T > Tm, quan hệ (T) cũng không tuân theo định luật Curie-Weiss như thường thấy ở các vật liệu sắt điện bình thường. Khi nồng độ BCZT tăng đỉnh cực đại của hằng số điện môi tăng và mở rộng theo kiểu đặc trưng chuyển pha nhòe của các vật liệu sắt điện relaxo và có giá trị giảm dần. Tương ứng với nồng độ BCZT tăng, max tăng dần và đạt giá trị cực đại 6680 ứng với nồng độ BCZT là 0,05 mol, sau đó giảm khi nồng độ BCZT tăng. Hình 5. Các đặc trưng chuyển pha nhòe của gốm BNKT-BCZT Tương ứng với sự gia tăng tần số đo, giá trị cực đại của hằng số điện môi max giảm, trong khi nhiệt độ ứng với cực đại max dịch chuyển về phía nhiệt độ cao hơn. Kết 56
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 20, Số 1 (2022) quả trên cho thấy rằng các tính chất điện môi phụ thuộc mạnh vào tần số của trường ngoài tức có sự tán sắc điện môi. Đây là một đặc trưng quan trọng của vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe. Sự tán sắc điện môi có nguồn gốc từ độ bất trật tự trong cách sắp xếp của các cation tại vị trí B. Điều này có thể giải thích rằng các ion Ba2+ (1,61 Å), Ca2+ (1,34 Å), và Zr4+ (0,72 Å) pha tạp vào mạng nền BNKT chúng được thay thế cho các ion Bi3+ (1,17 Å), Na+ (1,39 Å), K+ (1,64 Å) và Ti4+ (0,61 Å) [24-27], kết quả tạo ra sự bất trật tự trong việc phân bố các ion ở vị trí B trong cấu trúc perovskite ABO3 đã hình thành sự chuyển pha khuếch tán, mà tại đó điểm Curie định xứ của các vùng phân cực vi mô được phân bố thống kê xung quanh một nhiệt độ Tm xác định. Cả nhiệt độ TB và Tm đều giảm theo nồng độ của BCZT tăng. Chúng được giải thích rằng hệ gốm BNKT không pha tạp có nhiệt độ Tm là 262C [25] trong khi hệ gốm BCZT có nhiệt độ Tm là 78C [28] do đó khi pha BCZT vào gốm BNKT thì nhiệt độ Tm đều giảm vì vậy nhiệt độ TB giảm theo. Để mô tả trạng thái thủy tinh - phân cực trong hệ vật liệu BNKT-BCZT, hệ thức Volgel-Fulcher được sử dụng: −𝐸𝑎 𝑓 = 𝑓𝑜 exp [𝑘 ] (1) 𝐵 𝑚 −𝑇𝑓 ) (𝑇 Trong đó f: tần số đo, f0: tần số Debye, T0 = Ea/k, Ea: năng lượng kích hoạt, k: hằng số Boltzmann, Tf : nhiệt độ đông cứng tĩnh tương ứng với trạng thái thuỷ tinh, Tm: nhiệt độ ứng với hằng số điện môi cực đại. Sự phù hợp khá tốt giữa số liệu thực nghiệm với hệ thức Vogel – Fulcher trong Hình 5(a-e) cho thấy rằng hệ thức này có thể được sử dụng để giải thích trạng thái chuyển pha nhòe trong hệ vật liệu BNKT-BCZT tương tự như trạng thái của các thủy tinh lưỡng cực có sự dao động phân cực ở trên một nhiệt độ đông đặc tĩnh, Tf (Bảng 1). Bảng 1. Tính chất chuyển pha nhoà của gốm BNKT-BCZT Mẫu gốm x = 0.00 x = 0.025 x = 0.050 x = 0.075 x = 0.010 Tf (ºC) 78.90 51.7 48.6 40.8 36.3 TF-R (C) 115.8 112.5 109 105 87 Tm (C) 262 257 251 242 237 TB (C) 343 328 321 319 311 Ea (eV) 0.681 1.346 1.582 1.574 1.661 2.27 6.27 1.18 1.80 3.50 fo (Hz) 10 15 10 15 10 16 10 16 1016 Từ bảng này, có thể nhận thấy rằng đối với BNKT không pha tạp, giá trị Tf và TB lần lượt là 78,9 °C và 343 C, các giá trị này giảm khi hàm lượng BCZT tăng. Điều này được cho là do sự giảm thể tích của vùng phân cực nano [9]. Hơn nữa, BNKT không pha tạp cũng cho thấy năng lượng hoạt hóa Ea thấp nhất trong số tất cả các mẫu nghiên cứu (Ea = 0,681eV). Theo Ren et al. [29], giá trị Ea của gốm BNKT nằm trong phạm vi hẹp từ 0,64 eV đến 0,91 eV, xấp xỉ sự dịch chuyển của các chỗ vacanci oxy trong vật liệu sắt điện 57
Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT perovskite. Hu và cộng sự [30] báo cáo rằng giá trị Ea của gốm (1-x)(0,65Bi0,5Na0,5TiO3– 0,35Bi0,1Sr0,85TiO3) -xKNbO3 thay đổi trong khoảng 1,51 đến 1,64 eV, gần với Ea của di chuyển vacanci oxy đến nơi tập trung các vacanci oxy trong cấu trúc perovskite. Như thể hiện trong Hình 5(f), giá trị Ea tăng theo hàm lượng BCZT. Sự gia tăng Ea cho thấy yêu cầu của động lực lớn hơn đối với định hướng lưỡng cực trong vùng phân cực nano, điều này phù hợp với kết luận của Kushvaha và cộng sự [9]. Chúng tôi đã khảo sát dạng đường trễ sắt điện và giá trị điện trường kháng Ec, độ phân cực dư Pr dựa vào phương pháp Saywer-Tower. Dạng các đường trễ sắt điện của các nhóm mẫu của hệ gốm Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3 tại nhiệt độ phòng được biểu diễn ở hình 6(a-e). Chúng đều có dạng đặc trưng của vật liệu sắt điện. Từ dạng đường trễ của các mẫu, độ phân cực dư Pr và điện trường kháng Ec đã được xác định hình 6(f). Hình 6(f) biểu diễn sự phụ thuộc của độ phân cực dư Pr và điện trường kháng Ec của hệ gốm Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3 theo nồng độ BCZT. Có thể nhận thấy rằng, khi hàm lượng BCZT tăng từ 0 mol đến 0,025 mol, Pr tăng, đạt giá trị cao nhất là 21,1 C / cm2 tại x = 0,025, và sau đó nó bắt đầu giảm; Mặt khác, Ec dao động khi hàm lượng BCZT giảm và đạt giá trị thấp nhất (7,6 kV/cm) tại x = 0,10. Từ dạng đường trễ trên hình 6(a-e), tính chất lưu trữ năng lượng của gốm đã được nghiện cứu. Mật độ lưu trữ năng lượng Wrec được đánh dấu bằng màu xanh lá cây trong hình 7(g) thu được bằng cách lấy tích phân phần diện tích giữa trục phân cực và đường cong xả điện của các đường trễ sắt điện đơn cực bằng công thức (2): 𝑃 𝑊𝑟𝑒𝑐 = ∫𝑃 𝑚𝑎𝑥 𝐸d𝑃 (2) 𝑟 Hiệu suất lưu trữ năng lượng của vật liệu có thể được tính bởi công thức (3): 𝑊𝑟𝑒𝑐  = 𝑊𝑟𝑒𝑐 + 𝑊𝑙𝑜𝑠𝑠 (3) Xu hướng thay đổi về mật độ lưu trữ năng lượng Wrec của gốm (1-x) BNKT – xBCZT với các nồng độ BCZT khác nhau cũng tương tự như xu hướng của hiệu suất lưu trữ năng lượng . Cả Wrec và  đều tăng gần như tuyến tính, khi nồng độ BCZT tăng đến 0,075 Mol của hệ gốm BNKT được nung thiêu kết ở 1100C và đạt giá trị cực đại lần lượt là 0,43 J/cm3 và 50,7%, sau đó các đại lượng này giảm dần. Mặt khác, khi nồng độ BCZT tăng đến 0,025 Mol, giá trị Wloss của các mẫu tăng từ 0,7 đến 0,85 J/cm3, sau đó các đại lượng này có giá trị giảm dần. 58
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 20, Số 1 (2022) Hình 6. (a-f) Tính chất sắt điện, (g-h) tính chất lưu trữ năng lượng của gốm BNKT-BCZT Từ các kết quả thực nghiệm trên, chúng tôi đã cải tiến được tính chất điện môi và dự trữ năng lượng của hệ gốm sắt điện Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3 khi nồng độ BCZT = 0,075 Mol được nung thiêu kết tại nhiệt độ 1100 C. Bảng 2. So sánh tính chất lưu trữ năng lượng của một vài hệ gốm sắt điện không chì hiện nay Wrec  Hệ gốm Tài liệu J/cm 3 (%) BNKT 0.10 13.0 Nghiên cứu này 0.925BNKT – 0.075BCZT 0.43 50.7 BNKT–BaTiO3 0.14 13.5 [31] xBZT-(1-x)BCT (BCZT) 0.12 70.0 [32] Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3 0.09 9 [33] (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3 0.16 13 [34] 59
Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT 0.97Bi0.5(Na0.84K0.16)0.5TiO3– 0.03Ba(Nb0.01Ti0.99)O3 0.28 20 [33] 0.97Bi0.5(Na0.5K0.5)0.5TiO3 –0.03(Ba0.70Sr0.03)TiO3 0.20 20.0 [35] 0.98Bi0.5(Na0.5K0.5)0.5TiO3 –0.02Ba0.9Ca0.1Ti0.9Zr0.1O3 0.37 50 [36] Để đánh giá mức độ cải tiến của hệ gốm BNKT-BCZT, mật độ lưu trữ năng lượng (Wrec) và hiệu suất lưu trữ năng lượng () của một số hệ gốm không chì tiêu biểu đang được nghiên cứu hiện nay đã được đề cập và so sánh trong Bảng 2. Các kết quả từ nghiên cứu này cho thấy, tại nhiệt độ nung thiêu kết thấp 1100C, năng lượng lưu trữ năng lượng và hiệu suất lưu trữ năng lượng đạt giá trị lớn nhất. 4. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo gốm không chì (1- x)Bi0,5(Na0,4K0,1)TiO3 - x(Ba0,844Ca0,156)(Zr0,096Ti0,904)O3 (BNKT-BCZT, với x = 0,0 - 0,1) sử dụng kỹ thuật định hướng. Ảnh hưởng của nồng độ BCZT đến cấu trúc và đặc trưng chuyển pha nhòe của hệ gốm đã được khảo sát. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tất cả các mẫu đều có pha perovskite tinh khiết với cấu trúc pha thay đổi từ cấu mặt thoi sang cấu trúc tứ giác trong vùng nồng độ BCZT từ 0 đến 0,1 mol. Tại nồng độ x = 0,05 mol, hệ gốm có tính chất điện môi tốt nhất: Mật độ gốm () là 5,99 g/cm3, hằng số điện môi max = 6680; Pr = 21,1 µC/cm2; Ec = 7,6 kV/cm; mật độ năng lượng đạt 0,43 J/cm3 với hiệu suất lưu trữ năng lượng của vật liệu đạt 50,7%. Sự bổ sung BCZT đã cải thiện mật độ lưu trữ năng lượng của gốm BNKT gần 400% so với gốm BNKT không pha tạp. LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế trong đề tài mã số 457/QĐ-CĐCNH. 60
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 20, Số 1 (2022) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. L.D. Vuong, P.D. Gio, N.D.V. Quang, T. Dai Hieu, T.P. Nam, Journal of Electronic Materials 47(10) (2018) 5944-5951. [2]. V.L. D., P.D. Gio, Journal of Modern Physics 5(14) (2014) 1258. [3]. P.Đ. Giớ, L.Đ. Vương, Hue University Journal of Science 65(2) (2013). [4]. G.L. Messing, S. Poterala, Y. Chang, T. Frueh, E.R. Kupp, B.H. Watson, R.L. Walton, M.J. Brova, A.-K. Hofer, R. Bermejo, R.J. Meyer, Journal of Materials Research 32(17) (2017) 3219- 3241. [5]. G.L. Messing, S. Trolier-McKinstry, E. Sabolsky, C. Duran, S. Kwon, B. Brahmaroutu, P. Park, H. Yilmaz, P. Rehrig, K. Eitel, Critical Reviews in Solid State Materials Sciences Applications 29(2) (2004) 45-96. [6]. L.D. Vuong, D.A. Quang, V.T. Tung, N.H. Chuc, N.N. Trac, Journal of Materials Science: Materials in Electronics 31(20) (2020) 18056-18069. [7]. L.D. Vuong, D.A. Quang, P. Van Quan, N. Truong-Tho, Journal of Electronic Materials 49(11) (2020) 6465-6473. [8]. L. Zhang, Z. Wang, Y. Li, P. Chen, J. Cai, Y. Yan, Y. Zhou, D. Wang, G. Liu, Journal of the European Ceramic Society 39(10) (2019) 3057-3063. [9]. D.K. Kushvaha, S.K. Rout, B. Tiwari, Journal of Alloys and Compounds 782 (2019) 270-276. [10]. A. Čontala, M.M. Kržmanc, D.J.A.C.S. Suvorov, 65(3) (2018) 630-637. [11]. T. Kimura, T. Takahashi, T. Tani, Y. Saito, Ceramics International 30(7) (2004) 1161-1167. [12]. R.P. Gonçalves, F.F. da Silva, P.H. Picciani, M.L. Dias, Materials Sciences Applications 6(02) (2015) 189. [13]. M.S. Peresin, Y. Habibi, J.O. Zoppe, J.J. Pawlak, O. Rojas, Biomacromolecules 11(3) (2010) 674-681. [14]. A. Rianjanu, A. Kusumaatmaja, E.A. Suyono, K. Triyana, Heliyon 4(4) (2018) e00592. [15]. H. Naceur, A. Megriche, M. El Maaoui, Journal of Advanced Ceramics 3(1) (2014) 17-30. [16]. D.A. Tuan, V.T. Tung, L.D. Vuong, N.H. Yen, L.T.U. Tu, Journal of Electronic Materials 47(10) (2018) 6297-6301. [17]. D.A. Tuana, V.T.T. Le Dai Vuongb, N.N. Tuanc, N.T. Duongc, Journal of Ceramic Processing Research 19(1) (2018) 32-36. [18]. V. Pal, O.P. Thakur, R.K. Dwivedi, Journal of Physics D: Applied Physics 48(5) (2015) 055301. [19]. D.-d. Wei, Q.-b. Yuan, G.-q. Zhang, H. Wang, Journal of Materials Research 30(14) (2015) 2144-2150. [20]. A. Hussain, C.W. Ahn, H.J. Lee, I.W. Kim, J.S. Lee, S.J. Jeong, S.K. Rout, Current Applied Physics 10(1) (2010) 305-310. [21]. Z.H. Zhao, M.Y. Ye, H.M. Ji, X.L. Li, X. Zhang, Y. Dai, Materials & Design 37 (2018) 184-191. 61
Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT [22]. T.G. Lee, H.J. Lee, S.j. Park, T.H. Lee, D.h. Kim, C.H. Hong, H. Xu, C.Y. Kang, S. Nahm, Journal of the American Ceramic Society 100(12) (2017) 5681-5692. [23]. Y. Yan, K.H. Cho, S. Priya, Journal of the American Ceramic Society 94(6) (2011) 1784-1793. [24]. S.K. Ghosh, V. Chauhan, A. Hussain, S.K. Rout, Ferroelectrics 517(1) (2017) 97-103. [25]. L.D. Vuong, N.T. Tho, International Journal of Materials Research 108(3) (2017) 222-227. [26]. S.K. Rastogi, P. Divya, B. Praveenkumar, A. Kumar, Materials Today: Proceedings 2(4-5) (2015) 2784-2788. [27]. Y.J. Eoh, E.S. Kim, Japanese Journal of Applied Physics 53(8S3) (2014) 08NB04. [28]. D.A. Tuan, V.T. Tung, L.D. Vuong, N.H. Yen, L.T.U. Tu, Journal of Elec Materi 47(10) (2018) 6297-6301. [29]. X. Ren, H. Yin, Y. Tang, H. Fan, H. Yuan, Ceramics International 46(2) (2020) 1876-1882. [30]. B. Hu, H. Fan, L. Ning, S. Gao, Z. Yao, Q. Li, Ceramics International 44(9) (2018) 10968-10974. [31]. L.D. Vuong, P.D. Gio, Journal of Alloys and Compounds 817 (2020) 152790. [32]. A.R. Jayakrishnan, K.V. Alex, A. Thomas, J.P.B. Silva, K. Kamakshi, N. Dabra, K.C. Sekhar, J.A. Moreira, M.J.M. Gomes, Ceramics International 45(5) (2019) 5808-5818. [33]. S. Manotham, P. Butnoi, P. Jaita, N. Kumar, K. Chokethawai, G. Rujijanagul, D.P. Cann, Journal of Alloys and Compounds 739 (2018) 457-467. [34]. X. Liu, J. Shi, F. Zhu, H. Du, T. Li, X. Liu, H. Lu, Journal of Materiomics 4(3) (2018) 202-207. [35]. D.K. Kushvaha, S.K. Rout, B. Tiwari, Journal of Alloys and Compounds (2018). [36]. P. Jaita, R. Sanjoom, N. Lertcumfu, G. Rujijanagul, RSC Advances 9(21) (2019) 11922-11931. 62
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 20, Số 1 (2022) ENERGY STORAGE CHARACTERISTICS OF (1-x)BNKT – xBCZT CERAMICS Le Thi Duy Thao1,2, Ho Thi Kim Phung3, Le Dai Vuong3* 1 Vo Van Kieu secondary & high school, Song Hinh district, Phu Yen province 2 University of Sciences, Hue University 3 Hue Industrial College *Email: ledaivuongqb@gmail.com ABSTRACT From this Bi4Ti3O12, we have successfully studied the synthesis of lead-free piezoelectric(1-x)Bi0.5(Na0.4K0.1)TiO3 - x(Ba0.844Ca0.156)(Zr0.096Ti0.904)O3 (BNKT-BCZT, x = 0.0, 0.025, 0.05, 0.075, and 0.1) ceramics using orientation technique. The effect of BCZT contents on the structure and the characteristics of relaxor ferroelectric of the ceramics were investigated. Experimental results show that with the increase in the BCZT content in the range of 0 to 0.1, the phase structure of the ceramics transforms from the rhombohedral R3c to tetragonal P4bm structure by the Rietveld refinement of XRD data. At x = 0.05: high remnant polarization Pr = 16 µC/cm2, low coercive field Ec = 25 kV/cm, Lotgering factor (f) = 0.65, and energy-storage density = 0.43 J/cm3 at 50 kV/cm. The BCZT doping improved the energy storage density of BNKT ceramics by nearly 400% compared with undoped BNKT ceramics. Thus, the ceramic material has great potential for electrical-energy-storage applications. Keywords: BNKT-BCZT, energy storage properties, ferroelectric properties, lead- freeceramic, , textured ceramics. 63
Đặc trưng lưu trữ năng lượng của hệ gốm (1-x)BNKT-xBCZT Lê Thị Duy Thảo sinh 1981 tại Phú Yên. Bà tốt nghiệp Đại học năm 2005 và năm 2018, bà tham gia học cao học tại ngành Vật lý tại Trường Đại học Khoa học Huế. Hiện nay bà là giáo viên tại Trường THCS và THPT Võ Văn Kiệt, Huyện Sông Hinh, Tỉnh Phú Yên. Lĩnh vực nghiên cứu: Vật lý chất rắn Hồ Thị Kim Phụng sinh năm 1979 tại Thừa Thiên Huế. Bà tốt nghiệp Đại học năm 2000 tại Trường Đại học Sư Phạm, Đại học Huế. Hiện nay bà là giáo viên tại Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế. Lĩnh vực nghiên cứu: Hoá học. Lê Đại Vương sinh ngày 12/02/1983 tại Quảng Bình. Năm 2008, ông tốt nghiệp cử nhân ngành Vật lý Chất rắn và năm 2010, ông tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Chất rắn tại Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế. Năm 2015, ông tốt nghiệp tiến sĩ chuyên ngành Vật lý chất rắn tại trường Đại học Khoa học, Đại học Huế. Hiện nay ông là giảng viên tại Khoa Công nghệ Hóa - Môi trường, Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế. Lĩnh vực nghiên cứu: Vật liệu áp điện, vật liệu nano và ứng dụng. 64