Quy trình chế tạo gốm áp điện

by Jessie Wong / Friday, 21 April 2023 / Published in Ultrasonic Technology

Gốm áp điện là vật liệu có khả năng sinh ra điện áp khi chịu tác động của lực cơ học và ngược lại, biến dạng khi đặt dưới điện trường. Tính chất đặc biệt này khiến chúng trở thành thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ cảm biến áp suất, máy phát siêu âm đến các thiết bị đánh lửa. Quá trình chế tạo gốm áp điện đòi hỏi sự chính xác và kiểm soát chặt chẽ các thông số kỹ thuật để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

Chọn nguyên liệu và phối trộn

Nguyên liệu chính để sản xuất gốm áp điện thường là các oxit kim loại như zirconat titanat chì (PZT), bari titanat (BaTiO3), và các biến thể của chúng. Việc lựa chọn nguyên liệu phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và các yêu cầu về tính chất của gốm. Các oxit này được cân đo chính xác theo tỷ lệ đã được xác định và sau đó được nghiền mịn thành bột. Quá trình nghiền này giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, hỗ trợ cho phản ứng hóa học trong giai đoạn thiêu kết diễn ra hiệu quả hơn.

Định hình sản phẩm

Bột gốm sau khi nghiền được trộn với chất kết dính hữu cơ và tạo hình thành sản phẩm mong muốn bằng nhiều phương pháp khác nhau như ép khô, ép đẳng tĩnh, hoặc đùn. Việc lựa chọn phương pháp tạo hình phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của sản phẩm cuối cùng. Ví dụ, ép đẳng tĩnh thường được sử dụng cho các sản phẩm yêu cầu độ đồng nhất cao về mật độ.

Thiêu kết gốm

Giai đoạn thiêu kết là một trong những bước quan trọng nhất trong quá trình chế tạo gốm áp điện. Sản phẩm được nung ở nhiệt độ cao (thường từ 1200°C đến 1500°C) trong một khoảng thời gian nhất định. Quá trình này giúp loại bỏ chất kết dính hữu cơ và liên kết các hạt gốm lại với nhau, tạo thành một cấu trúc rắn chắc và đồng nhất. Nhiệt độ và thời gian thiêu kết cần được kiểm soát chặt chẽ để đạt được kích thước hạt và mật độ mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất áp điện của vật liệu.

Phân cực

Sau khi thiêu kết, gốm áp điện vẫn chưa thể hiện tính chất áp điện. Để kích hoạt tính chất này, vật liệu cần được phân cực bằng cách đặt nó trong một điện trường mạnh ở nhiệt độ cao, gần với nhiệt độ Curie của vật liệu. Quá trình này giúp định hướng các đômen trong vật liệu, tạo ra hiệu ứng áp điện.

Kiểm tra chất lượng

Giai đoạn cuối cùng là kiểm tra chất lượng của gốm áp điện. Các thông số như hằng số áp điện, điện dung, hệ số ghép điện cơ, và tổn hao điện môi được đo lường để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Thông số	Mô tả	Phương pháp đo
Hằng số áp điện	Đo mức độ biến dạng của vật liệu khi đặt dưới điện áp hoặc điện áp sinh ra khi chịu tác động của lực.	Phương pháp cộng hưởng hoặc phương pháp tĩnh
Điện dung	Khả năng tích trữ điện tích của vật liệu.	Sử dụng LCR meter
Hệ số ghép điện cơ	Hiệu suất chuyển đổi giữa năng lượng cơ học và năng lượng điện.	Phương pháp cộng hưởng
Tổn hao điện môi	Năng lượng bị mất mát dưới dạng nhiệt khi vật liệu đặt trong điện trường xoay chiều.	Sử dụng LCR meter

Việc chế tạo gốm áp điện là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các thông số kỹ thuật trong từng giai đoạn. Từ việc lựa chọn nguyên liệu, tạo hình, thiêu kết, phân cực đến kiểm tra chất lượng, mỗi bước đều đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm cuối cùng có tính chất áp điện tối ưu, đáp ứng được yêu cầu đa dạng của các ứng dụng công nghệ cao.