Chế tạo và ứng dụng biến tử siêu âm trên cơ sở hệ vật liệu PZT-PZN-PMnN

Trạng thái đề tài:

Lĩnh vực: Vật liệu, hóa chất, năng lượng

Hoạt động: Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật

Năm: 2022

Ngày nộp đề tài: 6 Tháng Mười, 2022

Thông tin nhóm tác giả

Tên tác giả / nhóm tác giả: Lê Đại Vương, Nguyễn Quang Lịch, Đào Anh Quang, Hồ Thị Kim Phụng, Võ Thị Thanh Kiều

Đơn vị công tác của chủ nhiệm: Khoa Kỹ thuật và Công nghệ - Đại học Huế

Địa chỉ cơ quan của chủ nhiệm: 01 Điện Biên Phủ, Vĩnh Ninh, Thành phố Huế, Thừa Thiên Huế

Tính mới của giải pháp

 Lần đầu tiên ở Việt nam đã chế tạo thành công hệ vật liệu gốm áp điện PZT-PZN-PMnN đồng pha tạp Li2CO3 và Fe2O3 với các nồng độ tạp khác nhau, thiêu kết ở nhiệt độ thấp (1000 oC), có cấu trúc perovskit thuần túy. Với nồng độ 0,25%kl Fe2O3, nhiệt độ thiêu kết của gốm đã giảm từ 1200 oC xuống 1000 oC. Nhiệt độ thiêu kết của gốm đã giảm 200 oC so với mẫu không có pha 0,7%kl Li2CO3.  Đã xác định được ảnh hưởng của Fe2O3 đến cấu trúc, vi cấu trúc và các tính chất điện của hệ gốm. Kết quả thu được cho thấy không những nhiệt độ thiêu kết đã được giảm đáng kể mà còn nâng cao được các thông số áp điện khi hàm lượng 0,7%kl Li2CO3 và 0.25%kl Fe2O3: d33 = 455 pC/N; kp = 0.64; trong khi hệ số phẩm chất cơ vẫn đạt Qm = 1450; tổn hao điện môi tan = 0.003; và nhiệt độ chuyển pha cao Tm = 250°C. Đây là cơ sở để chúng tôi chế tạo biến tử siêu âm sử dụng cho thiết bị siêu âm trên cơ sở hệ gốm này.  Từ hệ vật liệu này chúng tôi đã chế tạo thành công các loại biến tử phát siêu âm có các kích thước 43 x 12 x 6 mm (Bán kính ngoài là 43 mm, bán kính trong là 12 mm và dày 6 mm) với độ lặp lại cao và ổn định. Như vậy, với công nghệ trong nước chúng ta đã chế tạo các biến tử phát siêu âm thành công, điều mà trước đây các biến tử chủ yêu nhập từ nước ngoài. Trên cơ sở các biến tử của hệ vật liệu PZT-PZN-PMnN đồng pha tạp Li2CO3 và Fe2O3, đã chế tạo thành công thiết bị siêu âm công suất thuận tiện cho việc ứng dụng tẩy rửa.

Tính sáng tạo

Kết quả chế tạo thanh công thiết bị phát sóng siêu âm công suất lớn từ vật liệu áp điện PZT-PZN-PMnN đồng pha tạp Li2CO3 và Fe2O3 và ứng dụng trong tẩy rửa phòng thí nghiệm có thể được ứng dụng rộng rãi. Chúng tôi đang kết hợp với công ty Vietnano để sản xuất với thiết bị công suất lơn hơn theo hướng thương mại hóa sản phẩm.

Hiệu quả kinh tế xã hội

 Bằng phương pháp nung thiêu kết hai bước, sử dụng thiết bị rất đơn giản, chúng tôi đã chế tạo thành công hệ gốm trên cơ sở PZT-PZN-PMnN. Nhiệt độ thiêu kết của gốm đã giảm từ 1200 oC xuống 1000 oC, nâng cao các thông số áp điện góp phần quan trọng trong việc chủ động phát triển công nghệ cao, giá thành thấp, mang thương hiệu Việt.  Ảnh hưởng của các nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc, vi cấu trúc và các tính chất điện của hệ vật liệu gốm cũng được nghiên cứu. Nhằm tối ưu hóa công nghệ chế tạo để giảm thời gian và kinh phí cho quá trình sản xuất.  Nghiên cứu một cách hệ thống các tính chất điện môi, sắt điện, áp điện từ đó lựa chọn để chế tạo biến tử phát siêu âm kiểu Langevin có các kích thước 43 x 12 x 6 mm (Bán kính ngoài là 43 mm, bán kính trong là 12 mm và dày 6 mm) với độ lặp lại cao và ổn định. Đề tài này góp phần xây dựng, hoàn thiện công nghệ để chế tạo các biến tử áp điện với các tính chất áp điện tốt.  Bằng việc kết hợp với công ty Vietnano trong việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị tẩy rửa công nghiệp, Công ty Vietnano đã tiến hành triển khai chế tạo và thương mại hóa thiết bị xử lý nước sử dụng công nghệ siêu âm với công suất lớn, mở ra một hướng mới nâng cao hiệu quả xử lý, tẩy rửa công nghiệp và dụng cụ thí nghiệm thân thiện với môi trường.