Báo cáo nghiên cứu khoa học: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN, ĐIỆN MÔI CỦA HỆ GỐM (1-x)PMN - xPT

Tổng hợp và nghiên cứu vật liệu gốm compozit từ vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3 (PMN) và vật liệu sắt điện thông thường điển hình PbTiO3 (PT) trong những năm gần đây đã được các nhà khoa học vật liệu thế giới chú trọng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN, ĐIỆN MÔI CỦA HỆ GỐM (1-x)PMN - xPT"TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 58, 2010 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ẢNH HƯỞNG CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC ĐẾN TÍNH CHẤT ĐIỆN, ĐIỆN MÔI CỦA HỆ GỐM (1-x)PMN - xPT Võ Duy Dần, Nguyễn Văn Sáu Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Nguyễn Duy Anh Tuấn Trường Cao đẳng Sư phạm Đồng Nai TÓM TẮT Tổng hợp và nghiên cứu vật liệu gốm compozit từ vật liệu sắt điện chuyển pha nhòePb(Mg1/3 Nb2/3)O3 (PMN) và vật liệu sắt điện thông thường điển hình PbTiO3 (PT) trong nhữngnăm gần đây đã được các nhà khoa học vật liệu thế giới chú trọng. Bài này trình bày các kếtquả nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng cấu trúc, vi cấu trúc đến tính chất điện, điện môi của hệgốm (1-x)PMN - xPT (với x = 20; 25; 30 %wt). Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu gốm cómật độ khá cao (D = 7,0 -7,25 g/cm3), độ dẫn điện rất bé (σ = 0,69.10-18 – 0,22.10-18 ( -1cm)),hằng số điện môi ở nhiệt độ phòng khá cao (ε/ε0 = 1145 – 1420), tổn hao điện môi tương đốinhỏ (tgδ = 0,08 – 0,03). Ảnh hưởng nồng độ pha pyrochlor đến tính chất điện, điện môi củagốm cũng được bàn luận.1. Mở đầu Vật liệu sắt điện chuyển pha nhòe (relaxor) PMN đầu tiên được Smolenskii vàAgranovskaya tổng hợp thành công vào năm 1958 [2]. PMN được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau do các tính chất dị thườngcủa nó. Điều thú vị nhất của PMN là hệ số tổn hao điện môi rất bé (không tồn tại đườngtrễ điện môi), nhiệt độ Curie rất thấp (~ -100C ). Hằng số điện môi của nó rất lớn(~30.000) trong vùng nhiệt độ gần nhiệt độ phòng [1-3]. Về mặt lịch sử PMN đượcnghiên cứu trong thời gian dài và hiện nay đang là vấn đề thời sự [7]. PbTiO3 (PT),Pb(Zr, Ti)O3 (PZT) là những vật liệu sắt điện thông thường điển hình có nhiều ứngdụng thực tế. Tuy nhiên, chúng còn một số nhược điểm chưa khắc phục được. Vật liệugốm compozit tổng hợp từ hai loại vật liệu này trong những năm gần đây đã được cácnhà khoa học vật liệu thế giới chú trọng do chúng có các tính chất nổi trội khắc phụcđược các hạn chế của PT, PZT và PMN riêng lẻ [2,7]. Bài báo này trình bày các kếtquả nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng cấu trúc, vi cấu trúc đến tính chất điện, điện môicủa hệ gốm (1-x) PMN - xPT (với x = 20; 25; 30 %wt). 152. Thực nghiệm, kết quả và thảo luận 2.1. Chế tạo gốm Vật liệu gốm được chế tạo theo công nghệ truyền thống kết hợp phương phápcolumbit, các thành phần vật liệu có công thức sau: (1 –x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 – x PbTiO3,S1 ứng với x = 0.20, S2 ứng với x = 0.25, S3 ứng với x = 0.30 wt. Nguyên liệu ban đầu bao gồm các oxyt: PbO, Nb2O5, MgO, TiO2 với độ tinhkhiết là 99%. PMN được chế tạo theo phương pháp columbit nhằm tạo pha cấu trúcperovskite và giảm pha pyrochlore bằng cách nung hai giai đoạn [2,6] như sau: Sau khicân theo tỷ lệ mong muốn các oxýt MgO, Nb2O5 được nghiền trộn sơ bộ trong 8 giờ, épsơ bộ tại 800KG/cm2 thành các viên có Φ= 25mm và nung giai đoạn 1 tại 10000C trong2 giờ để chế tạo columbite MgNb2O6 như phương trình (1). Sau đó cân PbO theo sốlượng mong muốn, trộn, nghiền, ép sơ bộ như trên với MgNb2O6 và được nung giaiđoạn 2 tại 9000C trong 2 giờ để chế tạo PMN như phương trình (2). 0 1000 C MgO + Nb2O5  MgNb2O6 (columbite) (1) → 0 700 − 900 C MgNb2O6 + PbO  3Pb( Mg1/3 Nb2/3 )O3 (perovskite) → (2) PT được chế tạo theo công nghệ truyền thống [5] với các thông số công nghệtương tự như trên. Hai loại bột PMN và PT được cân theo tỷ lệ mong muốn thành ba loại mẫu S1,S2, S3 , thêm lượng PbO dư 10%, được nghiền trộn lần 2 trong 16 giờ, ép áp lực cao tại1 T/cm2 thành các viên có Φ= 12mm. Sau đó, được thiêu kết tại 11500 C trong 2 giờ, tốcđộ nâng và hạ lò khi nung sơ bộ và thiêu kết là 50/phút. Sau khi xử lý bề mặt đạt songphẳng, các mẫu được phủ điện cực Ag và phân cực dưới điện trường một chiều30KV/cm trong 15 phút trong dầu silicon ở nhiệt độ 1250C. 2.2. Mật độ gốm 7.25 7.20 7.15 D(g/cm ) 2 7.10 7.05 7.00 20 22 24 26 28 30 Th nh phÇn x Hình 2.1. Sự phụ thuộc của mật độ gốm D theo nồng độ PT 16 Mật độ gốm xác định theo phương pháp Acsimet. Kết quả cho thấy ở bảng 2.1và hình 2.1. Bảng 2.1. Mật độ gốm trung bình D của các mẫu PMN-PT Mẫu S1 S2 S3 D(g/cm3) 7,25 7,01 7,00 Từ bảng 2.1 và hình 2.1, ta thấy rằng mật độ gốm khá cao và giảm khi nồng độPT tăng. Đến gần 3% wt PT, mật độ gốm ...