T¹p chÝ Hãa häc, T. 43 (3), Tr. 279 - 283, 2005<br />
<br />
<br />
Kh¶o s¸t cÊu tróc vµ tÝnh chÊt cña gèm Ba1-xPbTiO3<br />
tæng hîp theo ph#¬ng ph¸p ®ång kÕt tña cacbonat<br />
§Õn Tßa so¹n 21-4-2005<br />
Phan ThÞ Ho ng Oanh<br />
PTN VËt liÖu V« c¬, Khoa Hãa häc, §¹i häc Khoa häc, §¹i häc HuÕ<br />
<br />
SUMMARY<br />
The characterization of Ba1-xPbxTiO3 ceramics synthesized by co-precipitation reaction of<br />
Ba2+-Ti4+ system with carbonate agent have been investigated. The result indicates that<br />
Ba1-xPbxTiO3 are ferro-electric ceramics. Ba1-xPbxTiO3 with low value of x are typical ferro-<br />
electric materials, and Ba1-xPbxTiO3 with high value of x are relaxo materials.<br />
<br />
<br />
I - Më ®Çu - C¸c s¶n phÈm sau nung ®&îc nghiªn cøu<br />
x¸c ®Þnh th nh phÇn v cÊu tróc b»ng ph&¬ng<br />
Gèm BaTiO3 l lo¹i gèm ®iÖn m«i tactrat rÊt ph¸p nhiÔu x¹ tia X (XRD) v ®o mét sè tÝnh<br />
quan träng, nã ®&îc sö dông trong nhiÒu thiÕt bÞ chÊt ®iÖn.<br />
kü thuËt [1]. Trong mét b i b¸o tr&íc [2], chóng<br />
t«i ®< nghiªn cøu ph¶n øng ®ång kÕt tña hÖ Ba2+ III - KÕt qu¶ v th¶o luËn<br />
- Ti4+ b»ng t¸c nh©n cacbonat ®Ó ®iÒu chÕ ®&îc<br />
kÕt tña cã tû lÖ mol Ba2+/Ti4+ b»ng 1 nh& tû lÖ 1. Kh¶o s¸t sù ph©n hñy nhiÖt cña s¶n phÈm<br />
trong gèm BaTiO3. Trong b i b¸o n y, chóng t«i kÕt tña<br />
kh¶o s¸t t×m chÕ ®é nung t¹o vËt liÖu gèm<br />
BaTiO3 tõ s¶n phÈm ®ång kÕt tña Ba-Ti cã v Gi¶n ®å DTA-TGA-DTG cña kÕt tña (h×nh<br />
kh«ng cã pha t¹p Pb2+, ®ång thêi kh¶o s¸t cÊu 1) cho thÊy hiÖu øng thu nhiÖt mÊt khèi l&îng<br />
tróc, tÝnh chÊt cña gèm thu ®&îc ®Ó t×m hiÓu ¶nh b¾t ®Çu xuÊt hiÖn tõ 53oC kÐo d i ®Õn 900oC. Tõ<br />
h&ëng cña ch× ®Õn tÝnh chÊt ®iÖn cña gèm thu 900oC ®Õn 1000oC, khèi l&îng mÉu kh«ng ®æi<br />
®&îc. ë ®©y, Pb2+ ®&îc ®&a v o ®Ó thay thÕ Ba2+ v kh«ng cã mét hiÖu øng n o kh¸c. §iÒu ®ã<br />
theo c«ng thøc Ba1-xPbxTiO3 víi x = 0,01; 0,03; chøng tá ë 900oC ®< cã sù ph©n hñy ho n to n<br />
0,1 v 0,2. C¸c mÉu pha ch× ®&îc ký hiÖu t&¬ng s¶n phÈm kÕt tña. Do ®ã nhiÖt nung s¬ bé ®&îc<br />
øng l BTx. MÉu kh«ng pha ch× ký hiÖu l BT. chän l 1000oC.<br />
2. Nung s¬ bé mÉu v" kh¶o s¸t th"nh phÇn<br />
II - Ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm cÊu tróc s¶n phÈm nung<br />
<br />
- C¸c s¶n phÈm ®ång kÕt tña ®&îc sÊy kh«, Dùa v kÕt qu¶ ph©n tÝch nhiÖt, kÕt tña ®&îc<br />
nghiÒn mÞn v ®&îc ghi gi¶n ®å ph©n tÝch nhiÖt nung s¬ bé ë 1000oC, tèc ®é n©ng nhiÖt<br />
(DTA-TGA-DTG) trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ 10o/phót, l&u nhiÖt 3 giê ë 1000oC. C¸c mÉu sau<br />
nhiÖt ®é phßng ®Õn 1000oC, trong khÝ quyÓn nung cã sù biÕn ®æi m u tõ tr¾ng sang mì g ,<br />
kh«ng khÝ, tèc ®é n©ng nhiÖt 10o/phót, ®Ó kh¶o b¾t ®Çu cã sù t¹o h¹t. Gi¶n ®å XRD cña c¸c s¶n<br />
s¸t sù chuyÓn hãa cña mÉu theo nhiÖt ®é. ChÕ phÈm nung (h×nh 2a - 2e) cho thÊy kÕt tña ®<<br />
®é nung s¬ bé v nung thiªu kÕt mÉu sÏ ®&îc ph©n hñy ho n to n, s¶n phÈm thu ®&îc l<br />
quyÕt ®Þnh dùa v o kÕt qu¶ ph©n tÝch nhiÖt. BaTiO3 ®¬n pha.<br />
279<br />
H×nh 1: Gi¶n ®å nhiÖt cña s¶n phÈm kÕt tña<br />
(ghi trong m«i tr&êng kh«ng khÝ, tèc ®é n©ng nhiÖt 10o/phót)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
H×nh 2a: Gi¶n ®å XRD cña mÉu BT sau nung s¬ bé ë 1000oC<br />
Gi¶n ®å XRD cña c¸c mÉu cã pha t¹p C¸c kÕt qu¶ trªn cho thÊy, tõ c¸c s¶n phÈm ®iÒu<br />
Pb2+ kh«ng thÊy xuÊt hiÖn pic riªng cña hîp chÊt chÕ b»ng ph&¬ng ph¸p ®ång kÕt tña cacbonat,<br />
ch× (c¸c h×nh 2b-2e), chøng tá ch× ®< ®i v o chóng t«i ®< ®iÒu chÕ ®&îc BaTiO3 ®¬n pha víi<br />
trong m¹ng l&íi BaTiO3. §iÒu n y ®&îc kh¼ng nhiÖt ®é nung s¬ bé 1000oC, l&u nhiÖt 3 giê. So<br />
®Þnh qua viÖc thay ®æi kÝch th&íc m¹ng cña c¸c víi ph&¬ng ph¸p gèm [3] nhiÖt ®é nung s¬ bé ë<br />
mÉu cã pha ch× (th«ng sè d ë c¸c pic ®Æc tr&ng ®©y gi¶m ®&îc 200oC, thêi gian l&u gi¶m ®&îc 1<br />
thay ®æi khi thay ®æi h m l&îng ch× trong mÉu). giê.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(b) H×nh 2b,c: Gi¶n ®å XRD<br />
cña c¸c mÉu BT0,03 (b)<br />
v BT0,01 (c) sau nung<br />
s¬ bé ë 1000oC<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(c)<br />
280<br />
3. Nung thiªu kÕt v" kh¶o s¸t tÝnh chÊt ®iÖn mm), lùc Ðp 3,5 tÊn/cm2 råi nung thiªu kÕt ë<br />
cña s¶n phÈm gèm 1200oC, l&u nhiÖt 3 giê. Gèm thu ®&îc cã m u<br />
biÕn ®æi tõ n©u ®Êt sang v ng khi h m l&îng ch×<br />
C¸c mÉu sau nung s¬ bé ®&îc Ðp viªn ( = t¨ng dÇn, tû träng trung b×nh kho¶ng 4,68 g/cm3,<br />
11,2 mm; ®é d y cña mÉu kho¶ng 1,5 - 2,5 ®é co ngãt kh«ng qu¸ 5%.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(d)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(e)<br />
H×nh 2d,e: Gi¶n ®å XRD cña mÉu BT0,1(d) v mÉu BT0,2(e) v sau nung s¬ bé ë 1000oC<br />
<br />
KÕt qu¶ kh¶o s¸t sù biÕn thiªn cña h»ng sè XRD, ta nhËn thÊy cã lÏ cã sù liªn quan gi÷a<br />
®iÖn m«i theo nhiÖt ®é T ë tÇn sè 0,5 MHz hiÖn t&îng chuyÓn pha mê cña gèm BTPx víi sù<br />
cña c¸c mÉu gèm (h×nh 3a - 3g) cho thÊy, mÉu chuyÓn cÊu tróc tinh thÓ cña gèm: c¸c mÉu BT,<br />
BaTiO3 kh«ng pha ch× (ký hiÖu BT) thuéc lo¹i BTP0,01 cã cÊu tróc tø ph&¬ng thÓ hiÖn ë pic<br />
gèm s¾t ®iÖn ®iÓn h×nh, thÓ hiÖn ë sù chuyÓn kÐp râ nÐt ë vïng gãc nhiÔu x¹ 2 = 45o (h×nh<br />
pha râ nÐt (pic nhän), ®é chªnh lín (h×nh 3a). 2a, 2b) trong khi ë c¸c mÉu BTP0,1 v BTP0,2<br />
NhiÖt ®é Curie (TC) cña mÉu BT l 104oC. Ký tù c¸c pic kÐp ë vïng n y kh«ng cßn râ nÐt (h×nh<br />
2d, 2e), cho thÊy cã sù chuyÓn dÇn tõ cÊu tróc tø<br />
E xuÊt hiÖn trong c¸c h×nh tõ 3a ®Õn 3g ®&îc sö<br />
ph&¬ng sang cÊu tróc lËp ph&¬ng.<br />
dông khi kh¶o s¸t sù phô thuéc cña theo nhiÖt<br />
®é T. NÕu ghÐp c¸c ®&êng -T cña c¸c mÉu BT,<br />
BT0,1 v BT0,2 v o cïng mét gi¶n ®å (h×nh 3f)<br />
C¸c mÉu gèm BTx còng ®Òu thuéc lo¹i vËt ta nhËn thÊy mÉu BT0,2 cã thay ®æi rÊt Ýt trong<br />
liÖu s¾t ®iÖn. Tuy nhiªn c¸c mÉu BT0,01 v mét kho¶ng nhiÖt ®é lín, ®ã l tÝnh chÊt cña vËt<br />
BT0,03 (cã h m l&îng ch× nhá) thÓ hiÖn tÝnh<br />
liÖu relaxo cã æn ®Þnh theo nhiÖt ®é, ®&îc sö<br />
chÊt cña vËt liÖu s¾t ®iÖn ®iÓn h×nh víi c¸c pic<br />
dông trong c¸c bé céng h&ëng l m viÖc ë nhiÖt<br />
chuyÓn pha nhän, ®é dèc lín, ®é chªnh lín ®é cao. H×nh 3f còng cho thÊy: ë c¸c mÉu n y<br />
(h×nh 3b v 3c), cßn c¸c mÉu BT0,1 v BT0,2 khi h m l&îng ch× t¨ng th× nhiÖt ®é Curie t¨ng.<br />
(h m l&îng ch× lín) l c¸c vËt liÖu relaxo, cã §iÒu n y rÊt phï hîp víi quy luËt ®< ®&îc nhiÒu<br />
hiÖn t&îng chuyÓn pha mê thÓ hiÖn ë pic tï, ®é t¸c gi¶ c«ng bè tr&íc ®©y [4]: khi ®&a ch× v o<br />
chªnh kh«ng cao (h×nh 3d v 3e). vËt liÖu BaTiO3 th× TC cña vËt liÖu thu ®&îc t¨ng,<br />
C¬ chÕ chuyÓn pha mê hiÖn nay ch&a râ. do TC cña m¹ng PbTiO3 tinh khiÕt cã gi¸ trÞ<br />
Tuy nhiªn nÕu kÕt hîp víi kÕt qu¶ nghiªn cøu kho¶ng 500oC, lín h¬n TC cña BaTiO3 tinh<br />
<br />
281<br />
khiÕt (104oC).<br />
3<br />
1600 104 4 .5 x 1 0 E B T001 103<br />
<br />
3<br />
4 .0 x 1 0<br />
1400<br />
3<br />
3 .5 x 1 0<br />
E B T m 2<br />
1200 3 .0 x 1 0<br />
3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
3<br />
2 .5 x 1 0<br />
1000<br />
3<br />
2 .0 x 1 0<br />
<br />
800<br />
3<br />
1 .5 x 1 0<br />
<br />
20 40 60 80 100 120 140<br />
600 0<br />
20 40 60 80 100 120 N h iÖ t ® é ( C )<br />
0<br />
N h iÖ t ® é ( C )<br />
H×nh 3b: §å thÞ -T cña mÉu BT0,01<br />
H×nh 3a: §å thÞ -T cña mÉu BT<br />
3<br />
5 .0 x 1 0 2 200<br />
98 11 6<br />
3<br />
4 .5 x 1 0<br />
2 000<br />
3<br />
4 .0 x 1 0<br />
1 800<br />
3<br />
3 .5 x 1 0 EBT003<br />
E B T 0 1<br />
3 .0 x 1 0<br />
3 1600<br />
<br />
<br />
3<br />
2 .5 x 1 0<br />
1 400<br />
<br />
3<br />
2 .0 x 1 0<br />
1200<br />
3<br />
1 .5 x 1 0<br />
<br />
20 40 60 80 100 120 140 1000<br />
0 20 4 0 6 0 80 1 00 120 14 0<br />
N h iÖ t ® é ( C ) N h iÖ t ® é ( C )<br />
0<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
H×nh 3c: §å thÞ -T cña mÉu BT0,03 H×nh 3d: §å thÞ -T cña mÉu BT0,1<br />
560<br />
<br />
540<br />
<br />
520<br />
<br />
500<br />
<br />
480 132<br />
<br />
460<br />
<br />
440<br />
E B T022<br />
420<br />
<br />
400<br />
<br />
380<br />
<br />
20 40 60 80 100 120 140 160 180<br />
0<br />
N h iÖ t ® é ( C )<br />
<br />
<br />
H×nh 3e: §å thÞ -T cña mÉu BT0,2<br />
<br />
Tuy nhiªn, víi c¸c mÉu ë vïng ch× thÊp (x = n o c«ng bè c¸c nghiªn cøu vÒ tÝnh chÊt cña vËt<br />
0,01; 0,03) kÕt qu¶ thùc nghiÖm ë ®©y cho thÊy: liÖu bari titanat pha ch× víi h m l&îng thÊp.<br />
quy luËt biÕn thiªn cña TC theo h m l&îng ch× Ngo i c¸c gi¶n ®å -T nªu trªn, chóng t«i<br />
ho n to n ng&îc l¹i: khi h m l&îng ch× t¨ng, TC cßn kh¶o s¸t sù biÕn thiªn cña hÖ sè tæn hao<br />
gi¶m (h×nh 3g). ®iÖn m«i D, gãc lÖch pha , hÖ sè phÈm chÊt Q,<br />
§©y l mét hiÖn t&îng rÊt lý thó, tr¸i víi víi h»ng sè ®iÖn m«i t&¬ng ®èi khi thay ®æi h m<br />
c¸c quy luËt ®< biÕt. HiÖn nay ch&a cã t i liÖu l&îng ch× trong mÉu (b¶ng 1).<br />
3<br />
3<br />
5 .0 x1 0<br />
2 .4 x 1 0 98<br />
4 .5 x1 0<br />
3<br />
103<br />
2 .2 x 1 0<br />
3<br />
116<br />
3<br />
2 .0 x 1 0<br />
3 4 .0 x1 0<br />
E BT003<br />
3 3<br />
1 .8 x 1 0 EBT01 3 .5 x1 0<br />
3 104 3 EB T 001<br />
1 .6 x 1 0 3 .0 x1 0<br />
3<br />
116<br />
1 .4 x 1 0 2 .5 x1 0<br />
3<br />
<br />
EBTm 2<br />
1 .2 x 1 0<br />
3<br />
2 .0 x1 0<br />
3 104<br />
1 .0 x 1 0<br />
3<br />
3<br />
E B T 01<br />
1 .5 x1 0<br />
8 .0 x 1 0<br />
2 EBTm 2<br />
3<br />
1 .0 x1 0<br />
6 .0 x 1 0<br />
2 132<br />
EBT022 5 .0 x1 0<br />
2<br />
2<br />
4 .0 x 1 0<br />
2 20 40 60 80 100 120 140<br />
2 .0 x 1 0<br />
20 40 60 80 100 120 140 160 180 0<br />
N h iÖt ® é ( C )<br />
0<br />
N h iÖ t ® é ( C )<br />
<br />
<br />
<br />
H×nh 3f: §å thÞ -T cña c¸c mÉu BT; BT0,1 H×nh 3g: §å thÞ -T cña mÉu BT, BT0,01; BT<br />
v BT0,2 0,03 v BT0,1<br />
<br />
282<br />
B¶ng 1: Mét sè th«ng sè vÒ tÝnh chÊt ®iÖn cña gèm BTx<br />
MÉu , mm ChiÒu d y, mm Cs, µF D Q<br />
BT 11,0 1,1 426 0,012 89,25 58 1396<br />
BT 0,01 10,6 1,0 1250 0,024 76,00 40 4005<br />
BT 0,03 10,8 1,1 856 0,030 88,00 29,5 2906<br />
BT 0,1 11,1 1,2 489 0,060 86,00 15,2 1715<br />
BT 0,2 10,6 1,2 172 0,070 86,00 13,5 661<br />
<br />
C¸c kÕt qu¶ trªn cho thÊy, mÉu BTP 0,01 cã - C¸c mÉu gèm thu ®&îc thuéc lo¹i vËt liÖu<br />
gi¸ trÞ h»ng sè ®iÖn m«i t¨ng rÊt m¹nh so víi s¾t ®iÖn.<br />
mÉu BT v cã gi¸ trÞ cao nhÊt trong sè c¸c mÉu - C¸c mÉu BaTiO3 pha t¹p ch× víi h m l&îng<br />
cã pha ch×. Khi h m l&îng ch× t¨ng, gi¶m dÇn. ch× thÊp (x = 0,01; 0,03) l c¸c vËt liÖu s¾t ®iÖn<br />
§iÒu n y phï hîp víi quy luËt biÕn thiªn cña ®iÓn h×nh v cã TC gi¶m khi h m l&îng ch× t¨ng,<br />
®< ®&îc c«ng bè. cßn c¸c mÉu pha t¹p ch× víi h m l&îng ch× cao<br />
VËt liÖu thu ®&îc cã hÖ sè tæn hao ®iÖn m«i (x = 0,1; 0,2) l vËt liÖu relaxo cã hiÖu øng<br />
thÊp v tÝnh chÊt ®iÖn m«i cña vËt liÖu thÓ hiÖn chuyÓn pha mê, cã TC t¨ng khi h m l&îng ch×<br />
tèt. t¨ng.<br />
<br />
IV - KÕt luËn T i liÖu tham kh¶o<br />
<br />
1. Phan V¨n T&êng. VËt liÖu v« c¬. Tr&êng<br />
- §< ®iÒu chÕ ®&îc vËt liÖu bari titanat (cã<br />
§¹i häc Tæng hîp H Néi (1993).<br />
v kh«ng cã pha t¹p ch×) ho n to n ®¬n pha tõ<br />
c¸c s¶n phÈm ®ång kÕt tña, víi chÕ ®é nung s¬ 2. Phan ThÞ Ho ng Oanh, TrÇn Ngäc TuyÒn.<br />
bé 1000oC, l&u nhiÖt 3 giê v nung thiªu kÕt ë T¹p chÝ Khoa häc §¹i häc HuÕ, sè 17, 15 -<br />
1200oC, l&u nhiÖt 3 giê. Víi cïng kÝch th&íc 18 (2003).<br />
mÉu, nhiÖt ®é nung s¬ bé ë ®©y gi¶m ®&îc 3. Feng Ren, Shingo Ishida. J. of Ceram. Soci.<br />
200oC, thêi gian nung s¬ bé gi¶m ®&îc 1 giê so of Japan, 103, 8, 759 - 766 (1995).<br />
víi ph&¬ng ph¸p gèm; nhiÖt ®é nung thiªu kÕt 4. D. William, J. R. Callister. Materials<br />
gi¶m ®&îc 150oC, thêi gian nung thiªu kÕt rót Science and Engineering. John Wiley &<br />
ng¾n ®&îc 7 giê so víi ph&¬ng ph¸p gèm. Sons, New York (1991).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
283<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
9 p | 
10
| 
5
