Tóm tắt Luận án Chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của hệ vật liệu xBZT - (1-x)BCT pha tạp

phần 0.48BZT 12 2 (10 m /N)Eijs 10 2 (10 N/m )Eijc 11 Es 12 Es 13 Es 33 Es 44 Es 66 Es 11 Ec 12 Ec 13 Ec 33 Ec 44 Ec 66 Ec 12.19 -4.27 -7.20 13.36 26.6 28.1 16.98 8.2 9.5 12.3 3.76 3.56 5.2.3.1. So sánh, đánh giá vùng cộng hƣởng của hệ 0.48BZT Hình 5.3 minh họa phổ cộng hưởng theo phương bán kính thu được từ thực nghiệm và FEM. Hình 5.3. Phổ cộng hưởng của đĩa áp điện 0.48BZT thu được từ thực nghiệm và FEM Bảng 5.3 liệt kê giá trị tần số cộng hưởng, fm, tần số phản cộng hưởng, fn, các giá trị trở kháng tương ứng, Zm, Zn, thu được từ hình 5.3, và hệ số kp, ứng với dao động cơ bản theo phương bán kính. 220 240 260 280 300 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 FEM Thùc nghiÖm Z (  ) f (kHz) 20 Bảng 5.3. Hệ số liên kết điện – cơ và các giá trị cộng hưởng thu được từ thực nghiệm và FEM Đại lượng fm fn kp Zm Zn Zn/Zm (Đơn vị) (kHz) (kHz) () () FEM 244.8 279.2 0.54 1.25 71978 57582 Thực nghiệm 250.2 282.4 0.52 7.62 8265 1085 Có sự phù hợp khá tốt giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Các giá trị tần số đặc trưng sai khác nhau không quá 2.2%, trong khi hệ số liên kết điện - cơ lệch nhau 4%. Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng kể về biên độ phổ dao động giữa hai phương pháp này, bậc nhảy Zn/Zm trong trường hợp mô phỏng lớn hơn 53 lần so với đại lượng này thu được từ thực nghiệm. Hình 5.4 Trạng thái dao động của đĩa áp điện 0.48BZT ở cộng hưởng Hình 5.4 là ảnh 3D mô tả sự dịch chuyển của biến tử áp điện tại tần số cộng hưởng. Về cơ bản, biến tử thực hiện dao động theo phương bán kính, song sự dịch chuyển trên bề mặt biến tử không đều nhau. Để làm rõ điều này, chúng tôi khảo sát trạng thái cộng hưởng tại biên và chính giữa của biến tử. Hồi đáp áp điện của các điểm này và của cả biến tử được định lượng trong bảng 5.4. Bảng 5.4. Các giá trị đặc trưng cộng hưởng và hệ số lên kết điện - cơ tại các vị trí trên biến tử và của toàn biến tử Vị trí fs fp kp Zm Zn Zn/Zm (kHz) (kHz) () () Biên 244.8 257.2 0.35 3.77 46220 12259 Tâm 244.8 321.2 0.74 1.23 341510 277650 Toàn phần 244.8 279.2 0.54 1.25 71978 57582 21 5.2.3.2. Ảnh hƣởng của sự biến đổi kích thƣớc biến tử lên tính chất cộng hƣởng của hệ 0.48BZT Hình 5.7 là phổ cộng hưởng của mẫu 0.48BZT đường kính d = 10.8 mm, khi chiều dày t thay đổi trong khoảng (0.2-1.2) mm. Hình 5.7. Phổ cộng hưởng thu được từ FEM của đĩa áp điện với các chiều dày khác nhau Từ hình 5.7a, khi chiều dày tăng, các tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng của dao động cơ bản gần như không thay đổi, nghĩa là hệ số kp không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi chiều dày mẫu. Tuy nhiên, sự dịch chuyển tần số xảy ra ở các dao động hài (hình 5.7b), mà cụ thể là, các tần số này dịch về phía thấp khi tăng bề dày của mẫu. Hình 5.9 mô tả sự phụ thuộc của độ dịch chuyển toàn phần, , theo tần số, f, đối với đĩa áp điện 0.48BZT khi chiều dày thay đổi. Hình 5.9. Độ dịch chuyển toàn phần, , là hàm của tần số, f đối với đĩa áp điện 0.48BZT theo các chiều dày khác nhau Có thể thấy, các biến tử bị dịch chuyển mạnh nhất tại tần số cộng hưởng. Khi chiều dày, và do đó, tỷ số giữa đường kính và chiều dày, 200 300 400 500 600 700 800 10 -1 10 1 10 3 10 5 10 7 600 650 700 750 800 f (kHz) Z (  ) (a) f (kHz) (b) 0.2 mm 0.4 mm 0.8 mm 0.8 mm 1.0 mm 1.2 mm 0.0 1.4 2.8 4.2 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 300 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 10 20 30 40 300 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0   m )   m )   m )   m )   m ) f (kHz) t = 0.6 mm   m ) f (kHz) t = 0.2 mm t = 1.0 mm t = 0.4 mm t = 1.2 mm t = 0.8 mm 22 d/t, thay đổi, độ dịch chuyển toàn phần tại tần số cộng hưởng, r, thay đổi từ 1.85 µm đến 35.58 µm (bảng 5.5). Bảng 5.5. Giá trị r ứng với các tỷ số d/t d/t 54 27 18 13.5 10.8 9 r (µm) 1.98 4.78 9.88 35.58 2.08 1.85 5.3. Nghiên cứu tính chất cộng hƣởng của biến tử áp điện kiểu cymbal trên cơ sở vật liệu 0.48BZT 5.3.1. Giới thiệu về biến tử áp điện kiểu Cymbal Cấu tạo của Cymbal gồm hai nắp uốn hình mũ làm bằng kim loại được gắn vào hai phía của một bản áp điện nhờ một lớp epoxy, không gian giữa các nắp và phần tử áp điện là không khí. Khi đĩa áp điện được kích thích, dao động theo phương bán kính của nó sẽ gây ra các chuyển động uốn của nắp kim loại. Kết quả là, dịch chuyển hướng trục của nó sẽ tham gia vào dịch chuyển của dao động theo chiều dọc (33) của bản áp điện, từ đó, hệ số áp điện hiệu dụng d33 được cải thiện. Mặt khác, khoang không khí bên trong làm trở kháng âm toàn phần của hệ giảm nhiều nên dễ dàng phối hợp trở kháng âm với nước. Hình 5.10 mô tả mặt cắt ngang của biến tử Cymbal, trong đó, do, ho tương ứng là đường kính và độ sâu của khoang không khí, to là chiều dày của nắp kim loại. 5.3.2. So sánh trạng thái dao động của biến tử áp điện tự do và biến tử dạng Cymbal có cùng kích thƣớc Hình 5.11 là đáp ứng tần số của tổng độ dịch chuyển đối với biến tử tự do và biến tử Cymbal có đường kính d = 26.6 mm. Đối với biến tử tự do, tần số cộng hưởng của dao động cơ bản là 93.1 kHz. Trong khi đó, tần số cộng hưởng của biến tử Cymbal cùng kích thước (đường kính) chỉ là 14.7 kHz. 23 Tính chất cộng hưởng của biến tử Cymbal cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi sự thay đổi kích thước hình học của nó. 5.4. Thử nghiệm chế tạo biến tử kiểu cymbal sử dụng vật liệu 0.48BZT Phần tử áp điện 0.48BZT được chế tạo bằng công nghệ truyền thống với kích thước d = 26.6 mm, t = 0.7 mm. Nắp biến tử được chế tạo bằng đồng có kích thước: to = 0.2 mm, do = 19.6 mm, ho = 0.5 mm. Để đảm bảo liên lạc điện giữa phần tử áp điện và nắp, chúng tôi sử dụng một điểm hàn nhỏ cho mỗi bề mặt của đĩa 0.48BZT và hai nắp của biến tử bằng dây dẫn, sau đó gắn nắp vào bản gốm áp điện nhờ lớp epoxy cách điện rất mỏng. Lớp epoxy có độ bền cơ học cao, có thể truyền toàn bộ dao động theo phương bán kính ra nắp biến tử. Phổ tổng trở phụ thuộc tần số của biến tử Cymbal và biến tử tự do được minh họa trên hình 5.16 24 Phần tử áp điện có tần số cộng hưởng cơ bản (của dao động theo phương bán kính) cỡ 106 kHz. Với biến tử Cymbal cùng đường kính, phổ tổng trở có hai đỉnh, một đỉnh tại lân cận 107.8 và một đỉnh cộng hưởng mới tại 16.1 (hình 5.16b). Việc tồn tại đỉnh cộng hưởng mới ở phía tần số thấp chứng tỏ đã có sự liên kết hiệu quả giữa phần tử áp điện và nắp kim loại. Với đĩa áp điện 0.48BZT có đường kính 26.6 mm làm việc ở tần số cộng hưởng 106 kHz, hằng số tần số cỡ 2820 H.m. Nếu muốn hoạt động ở tần số 16.1 kHz thì đĩa áp điện này phải có đường kính cỡ 176 mm (tăng cỡ 6.6 lần). Như vậy, nắp kim loại có tác dụng làm điểm cộng hưởng dịch về phía tần số thấp so với đĩa áp điện tự do. Kết quả thực nghiệm trên hình 5.16b khá phù hợp với kết quả phân tích biến tử Cymbal cùng loại bằng FEM (ở hình 5.17), theo đó, giá trị tần số cộng hưởng thu được từ FEM là 17.5 kHz, trong khi giá trị thực nghiệm là 16.1 kHz. Hai giá trị này lệch nhau khoảng 8.6%. KẾT LUẬN Hướng theo mục tiêu đặt ra cho Luận án, chúng tôi đã giải quyết được những vấn đề sau đây.  Chúng tôi đã xây dựng quy trình công nghệ và chế tạo thành công vật liệu áp điện xBZT-(1-x)BCT hay xBZT thiêu kết ở 1450oC và nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ phần BZT đến các tính chất vật lý của hệ này. 25 Khi tăng tỷ phần, x, của BZT trong dung dịch rắn, cấu trúc của vật liệu thay đổi từ tứ giác sang mặt thoi. Thành phần ứng với x = 0.48 tồn tại đồng thời pha mặt thoi và pha tứ giác, và chúng tôi dự đoán đây là thành phần biên pha hình thái học, khác với một công bố trước đó khi cho rằng, biên pha hình thái học của hệ nằm ở thành phần x = 0.50. Đây là điểm mới thứ nhất của luận án. Trên cơ sở phương pháp cộng hưởng và các chuẩn quốc tế về vật liệu áp điện, tính chất áp điện của hệ vật liệu đã được nghiên cứu kỹ lưỡng thông qua các kiểu dao động theo bán kính, chiều dày, chiều dọc, chiều ngang và xoắn, từ đó thiết lập đầy đủ bộ thông số áp điện của vật. Theo đó, thành phần x = 0.48 (thành phần biên pha hình thái học) cho các thông số áp điện vượt trội, với, các giá trị d33, d31, d15, k33, kp, kt, k15, k31 lần lượt là 542 pC/N, -188 pC/N, 335 pC/N, 0.66, 0.52, 0.55, 0.45, 0.30. Kết quả này khẳng định, xBZT là hệ liệu đầy tiềm để thay thế cho các vật liệu áp điện chứa chì. Đây là điểm mới thứ hai của luận án.  Ảnh hưởng của ZnO nano đến các tính chất của vật liệu 0.48BZT cũng được nghiên cứu. Đây là điểm mới thứ ba của luận án. + Thành phần vật liệu ứng với 0.15% khối lượng tạp ZnO nano (0.48BZT-0.15) được thiêu kết ngay ở 1350oC cho các tính chất áp điện tương đối cao so với vật liệu trên nền PZT, trong đó, d33 = 420 pC/N, kp = 0.48, k33 = 0.57. + Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến cấu trúc, vi cấu trúc và tính chất áp điện của vật liệu 0.48BZT-0.15 cũng được khảo sát. Kết quả cho thấy, trạng thái thiêu kết và một số tính chất vật lý của thành phần này được cải thiện và tốt hơn đối với thành phần 0.48BZT khi nhiệt độ thiêu kết tăng. Đặc biệt, mẫu 0.48BZT-0.15 được thiêu kết ở 1450 o C có hệ số d33 và kp lần lượt là 576 pC/N và 0.55, cao hơn hẳn các tham số cùng loại của vật liệu Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.1O3 pha tạp ZnO kích thước micro thiêu kết ở 1480oC (d33 = 521 pC/N, kp ~ 0.48). 26  Lần đầu tiên, lý thuyết phần tử hữu hạn kết hợp với chương trình mô phỏng COMSOL Multiphysics đã được sử dụng để khảo sát trạng thái dao động theo phương bán kính của biến tử áp điện dạng đĩa và biến tử thủy âm kiểu Cymbal trên cơ sở vật liệu 0.48BZT. Sự phù hợp tốt về kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm khẳng định tính chất áp điện nổi bật của hệ vật liệu áp điện không chì này.  Chúng tôi đã thử nghiệm chế tạo biến tử thủy âm kiểu Cymbal sử dụng phần tử áp điện 0.48BZT và nắp kim loại bằng đồng. Tần số cộng hưởng của biến tử kiểu Cymbal giảm khoảng 6.6 lần so với tần số cộng hưởng của biến tử tự do có cùng đường kính. Đây là những kết quả quan trọng bước đầu khẳng định tính mới của luận án (điểm mới thứ tư), là tiền đề tiến tới tự chế tạo các loại biến tử thủy âm trong tương lai. Trên cơ sở các kết quả đạt được, chúng tôi đề xuất một số vấn đề sau. Một là, tiếp tục nghiên cứu cách thức hạ thấp được nhiệt độ thiêu kết, trong khi vẫn đảm bảo các tính chất vật lý của vật liệu để tiết kiệm chi phí, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm khi ứng dụng. Hai là, cải thiện nhiệt độ Curie để mở rộng phổ ứng dụng của vật liệu. Việc giải quyết tốt hai nhược điểm lớn (nhiệt độ thiêu kết cao và nhiệt độ Curie thấp) làm cho BZT-BCT trở thành đối tượng vật liệu áp điện không chì tuyệt vời cho các ứng dụng. 27 DANH MỤC CÔNG TRÌNH Các bài báo trong danh mục ISI 1. Dang Anh Tuan, Nguyen Trong Tinh, Vo Thanh Tung and Truong Van Chuong, Ferroelectric and Piezoelectric Properties of Lead-Free BCT- xBZT Solid Solutions, Materials Transactions, Vol. 56, No. 9 (2015) pp. 1370-1373 2. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Truong Van Chuong, Nguyen Trong Tinh, Nguyen Thi Mai Huong, Structure, Microstructure and Dielectric Properties of Lead-free BCT- xBZT Ceramics near the Morphotropic Phase Boundary, Indian Journal of Pure & Applied Physics, Vol. 53, June 2015, pp. 409-415 3. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Truong Van Chuong, Le Van Hong, Properties of Lead-free BZT-BCT ceramics synthesized using nanostructured ZnO as a sintering aid, International Journal of Modern Physics B (2015) (Acepted) Các bài báo khác 4. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Le Van Phuong, Analyzing 2D Structure Images of Piezoelectric Ceramics Using ImageJ, International Journal of Materials and Chemistry 2014, 4(4): 88-91 5. Vo Thanh Tung, Nguyen Trong Tinh, Nguyen Hoang Yen, Dang Anh Tuan, Evaluation of Electromechanical Coupling Factor for Piezoelectric Materials Using Finite Element Modeling, International Journal of Materials and Chemistry 2013, 3(3): 59-63 6. Vo Thanh Tung, Nguyen Trong Tinh, Nguyen Hoang Yen, Le Thi Ngoc Bao and Dang Anh Tuan, Finite Element Modeling in Analyzing Physical Properties of the Pb-Free Piezoelectric Materials, Journal of Materials Science and Engineering A 3 28 (4) (2013) 283-289 7. Vo Thanh Tung, Nguyen Trong Tinh, Truong Van Chuong, Nguyen Thi Mai Hương, Dang Anh Tuan, Le Van Truyen, Investigation the Dimensional Ratio Effect on the Resonant Properties of Piezoelectric Ceramic Disk, Journal of Modern Physics, 2013, 4, 1627-1631, 8. Vo Thanh Tung, Dang Anh Tuan, Nguyen Hoang Yen, Le Thi Ngoc Bao, “Finite Element Method in Analyzing the Vibration Modes of Piezoelectric Ceramics”, Hue University Journal of Science, Vol 84, No 6 (2013) 9. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Le Thi Thu Hien, Le Xuan Diem Ngoc, Hoang Quoc Khanh, Truong Van Chuong, An Acoustic Cymbal Transducers Based On Lead-Free Piezoelectric Materials BZT-xBCT, SPMS2015, Ho Chi Minh City HUE UNIVERSITY COLLEGE OF SCIENCES ------------------- DANG ANH TUAN SYNTHESIS AND STUDY THE PHYSICAL PROPERTIES OF MODIFIED ( )BZT 1 BCTx x MATERIAL SYSTEMS Major: Solid State Physics Code: 62.44.01.04 ABSTRACT OF THESIS Hue, 2016 The thesis had implemented at College of Sciences, Hue University Academic Supervisor: PhD. Truong Van Chuong Assoc. Prof. Dr. Vo Thanh Tung Reviewer 1:Bach Thanh Cong, Ha Noi University of Science Reviewer 2:Nguyen The Khoi Ha Noi National University of Education Reviewer 3: Truong Minh Duc Hue University of Education This thesis will be reported at Hue University Date & Time ../ ././. 1 INTRODUCTION PZT are good ferroelectric and piezoelectric materials. The d33 values of 200, 300, 400, and 600 pC/N were obtained for undoped PZT, PZT4, PZT-5A, and PZT-5H ceramics, respectively. Nevertheless, PZT compositions contain lead, a toxic element, which affects to human health and the environment negatively. There have been many studied lead-free piezoceramics. However they possesses low piezoelectric parameters compared to that of PZT ceramics. BaTiO3, a typical lead-free piezoceramic, has been studied for a long time. The electrical properties of BaTiO3 can be adjusted as doping with either A or/and B site substitutions. In 2009, Wenfeng Liu and Xiaobing Ren designed a Pb-free ferroelectric system Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZT-xBCT) that have a very high d33 of 620 pC/N (x = 50%). The value of d33 is higher than that of PZT-5H. The authors predicted that the single- crystal form of the MPB composition of the present system may reach a giant d33 = 1500–2000 pC/N. These results were reported in Journal of Physical Review Letters for the first time. The above information attracted not only technologists due to this applicability but also basic researchers because of obtaining high piezoelectricity for a lead-free piezoceramic. MPB for the system separates its phase diagram into rhombohedral and tetragonal phases. The most important feature, being different from non-lead systems, is the existence a triple point which is intersection of a tetragonal, rhombohadral and cubic phases. The similar triple points are also characteristic of PZT materials. After Liu and Ren’s report, similar systems were also studied with high piezoelectric parameters for near MPB compositions. These received results allow us to hope for possibility of fabricating with strong piezoelectric properties compared to that of lead containing materials. 2 Now, fundamental researches for finding out mechanism of forming large electric polarization to improve electromechanical constants and optimizing manufacturing technology are necessary. From mentioned fact, the chosen title of the thesis is “synthesis and study the physical properties of modified xBZT-(1-x)BCT systems”. The objects selected in this thesis are the lead-free xBZT-(1- x)BCT piezoelectric materials. Desertation’s contetns include Firstly, research on preparation of modified xBZT-(1-x)BCT Secondly, investigating ferroelectric dielectric, piezoelectric properties of the materials. Thirdly, evaluating some electromechenical proerties using Finite Element Modelling. Finally, experiences in preparing Cymbal transducer using obtained material. Combination of experiment method and simulation softwares were used to investigate characteristics of obtained materials. This thesis is the first publication which presents systematically physical properties of non-lead piezo-materials. The topic is turning toward preparation of friendly material with fairly high piezoelectric parameters and low dielectric loss which meet requirements of some specific applications Chapter 1. LITERATURE REVIEWS We presented generally theories about dielectric, ferroelectric, and piezoelectric properties to guide our studies and explain our results. Along with that, characteristics of lead-free piezoceramics in general and BaTiO3 based materials in particular were also introduced broadly. Chapter 2. RESEARCH METHODS AND EXPERIMENTAL PREPARATION OF xBZT-(1-x)BCT PIEZOELECTRIC SYSTEM 3 2.1. Research methods 2.1.1. Structure, microstructure analysics and evaluating sample quality Crystalline structure were check by XRD pattern using D8- Advanced, BRUKER AXS. Lattice constants were determined using PowderCell software. Surface morphology of sintered samples was researched using SEM images (Nova NanoSEM 450-FEI equipment). ImageJ software was used to appreciate grain size. 2.1.2. Studying dieclectric properties Beside measured dielectric feature at static condition, dielectric properties of the materials were also studied together using HIOKI 3235-50 LCR HiTESTER equipment by measuring capacitance and angle phase dependence on temperature of the specimens. Diffuse behavior of the ceramics were researched based on modified Curie - Weiss, Vogel – Fulcher, and quadratic laws. 2.1.3. Studying ferroelectric characterizations P(E) response or hysteresis loops were obtained based on Sawyer – Tower circuit method. 2.1.4. Studying piezoelectric properties Elastic, piezoelectric constants were measured using a resonance method and calculated following formulae in the IEEE standard. 2.2. Procedure for preparing xBZT-(1-x)BCT ceramics The chosen raw materials with high purity (>99%, Mecrk) are BaCO3, CaCO3, TiO2, ZrO2. They were weighted for an equimolar in stoichiometric proportion of xBaZr0.2Ti0.8O3-(1-x)Ba0.7Ca0.3TiO3, where x is a molar percent of BZT. The mixture was milled in a planetary milling machine. The obtained was calcined. 4 In order to determine exactly temperature of calcination, TGA- DSC curves were measured for the 0.48BZT composition. Fig 2.8. TGA-DSC curves for the 0.48BZT composition In principle, the calcining temperature was chosen around 927 o C (the second endothermic peak, fig 2.8). However, initial mass of mixture in stoichiometric proportion used for measuring TGA-DSC curves was very small as compared to amount of raw materials in our work, thus calcining temperature was selected over 250-300 o C than the endothermic, ie. 1200-1250 o C. To confirm that, XRD patterns of 0.48BZT powders calcined at temperatures of 1150 o C, 1200 o C, and 1250 o C were surveyed (fig 2.9) . Fig 2.9. XRD pattern of 0.48BZT composition at various calcining temperatures From fig 2.9, calcining temperature of 1250 o C was sensibly chosen. After the second milling for 20 h, obtained powders were pressed into disk specimens. The sintering was carried out at the temperature 0 200 400 600 800 1000 1200 -6 -4 -2 0 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 m (mg) - 3.74 m (%) - 17.643 T G ( m g ) T (oC) m (mg) - 1.478 m (%) - 6.974 927.55 o C 709.17 o C d T G ( m g / m in ) 20 30 40 50 60 70 80 1150°C 1200°C unwanted phases In te n si ty ( a. u )  0.48BZT 1250°C 5 of 1300 o C, 1350 o C, 1400 o C, 1450 o C, 1500 o C for 4 h. Table 2.5 presents values of some piezo-parameters at various sintering temparatures for 0.48BZT samples. Table 2.5. values of kp, kt, d31, d33 at various sintering temperatures for 0.48BZT composition T ( o C) 1300 1350 1400 1450 1500 kp 0.16 0.31 0.49 0.52 0.50 kt 0.16 0.32 0.37 0.55 0.47 d31 (pC/N) -74 -157 -162 -188 -188 d33 (pC/N) 68 203 361 542 538 From table 2.5, temperature dependence of coupling factors and piezoelectric constants possesses highest values at 1450 o C. The mentioned results permit us to choose the sintering temperature of 1450 o C. CHƯƠNG 3 STRUCTURE, MICROSTRUCTURE, AND ELECTRIC PROPERTIES OF xBZT-(1-x)BCT SYSTEM This chapter will present some physical properties of BZT – (1 – x)BCT ceramics sintered at 1450 o C. 3.1. Structure and morphology of the materials Fig 3.1 shows XRD pattern of xBZT ceramics at room temperature. Fig 3.1. XRD pattern of xBZT ceramics 44.0 44.5 45.0 45.5 46.0 46.520 30 40 50 60 70 80 (002) T (0 02 ) T (200)R (200)R (b) 0.56BZT 0.54BZT 0.52BZT 0.50BZT 0.48BZT 0.46BZT 0.44BZT 0.42BZT (200) T (200) T 2 () 0.42BZT 0.44BZT 0.46BZT 0.48BZT 0.50BZT 0.52BZT 0.54BZT 0.56BZT C - ê n g ® é ( ® v t ® ) (a) 2 () 6 As shown on fig 3.1a, all samples possess complete perovskite structure. Fig 3.1b illustrates XRD pattern in the range of 44 o -46 o . It could be shown that xBZT materials have tetragonal symmetry as x < 0.48. For x > 0.48, the materials have rhombohedra structure. Composition x = 0.48 contains simultaneously tetragonal and rhombohedral phase, in which content of tetragonal phase makes up 71.7%. On the other hand, MPB could be located at x = 0.48 composition (fig 3.3). Fig 3.3. XRD pattern in the range of 44 o -46 o for compositions of around 0.48BZT sample fitted with Gaussian function Fig 3.4 illustrate SEM images and distribution of grain size for 0.48BZT sample sintered at 1450 o C. Fig 3.4. SEM image and distribution of grain size for 0.48BZT sample As a comparison, average particle size of the ceramics were also calculated using Lince software (table 3.2) 44.7 45.0 45.3 45.6 45.9 45.36o 45.21o45.10o 0.46BZT 45.11o 45.38o Tø gi¸c  (o) 0.50BZT 0.48BZT 45.21o C - ê n g ® é ( ® v t ® ) 0.52BZT 45.21 o MÆt thoi 7 Table 3.2. Average grain size and density of xBZT ceramics Sample Grain size, Sg (µm) Density,  (kg/m 3 ) Lince software ImageJ software 0.42BZT 22.6 22.5 5351 0.44BZT 24.1 22.0 5482 0.46BZT 28.4 25.2 5534 0.48BZT 32.4 29.2 5624 0.50BZT 30.0 25.5 5602 0.52BZT 26.4 23.5 5531 0.54BZT 27.9 27.0 5493 0.56BZT 24.8 23.2 5452 3.2. Dielectric properties Table 3.3 lists values of permittivity and dielectric loss at static condition for xBZT materials. Table 3.3. Values of  and tan for xBZT ceramics x 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 ε 1054 2253 2406 3321 2808 2504 2404 2230 tan (%) 2.3 1.8 1.4 1.3 1.4 1.4 1.7 2.4 It can be seen that, permittivity and loss are varied simultaneously as a function of BZT content and reach respectively a maximum and minimum values for 0.48BZT composition. Fig 3.6. Temperature dependence of (a) real part, r, (b) imaginary part, i, and (c) dielectric loss, tan for xBZT ceramics 25 50 75 100 125 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 25 50 75 100 125 0 100 200 300 400 500 25 50 75 100 125 0 1 2 3 4 5 6 7r T (oC) (a) tani T (oC) (b) 0.42BZT 0.44BZT 0.46BZT 0.48BZT 0.50BZT 0.52BZT 0.54BZT 0.56BZT T (oC) (c) 8 As shown in fig 3.6, ferro-paraelectric phase transitions are broaden, a characterization of relaxor ferroelectric materials. The degree of diffuseness, ψ, was specified from the sloop of fitting experimental data with (3.3) form of modified Curie-Weiss law. Obtained results are illustrate in fig 3.8. cw 1 1 ln ln lnC ,mr r m T T (3.3) Fig 3.8. as a function of ln(T – Tm) for xBZT ceramics It can be seen that, ψ varies from 1.598 to 1.825 as increasing x. It means that there is diffuse transition in the ceramics. Fig 3.11 shows (T) and tan(T) at frequencies of 0.1, 1, 10, 100, 200, 500 kHz. As raising measured frequency, the ceramics express dielectric dispersion Fig 3.11. Plots of (T) and tan(T) at different prequencies for 0.48BZT sample -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 0 1 2 3 4 5 6 0.42BZT,  = 1.598 0.44BZT,  = 1.633 0.46BZT,  = 1.757 0.48BZT,  = 1.825 0.50BZT,  = 1.778 0.52BZT,  = 1.810 Sè liÖu thùc nghiÖm §-êng lµm khíp ln(T - Tm) ln (1 / r - 1/ r m ) 0.54BZT,  = 1.794 0.56BZT,  = 1.664 0 3000 6000 9000 12000 15000 20 40 60 80 100 120 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 T (°C) tan f t¨ng 0.48BZT 9 The external frequencies of temperature Tm can be described by Vogel - Fulcher law (3.5) where, Tf, Ea, and fo are the fitting parameters.. Fig 3.12. lnf as a function of Tm fitted with Vogel – Fulcher for 0.48BZT sample The good fit shown in fig 3.12 desmontrates that, Vogel-Fulcher relationship can be explain diffuse transition behavior that is similar to dipole glass behaviour having polarization oscillation above a freeze temperature. 3.3. Ferroelectric characteristic Fig 3.14 presents hysteresis loop of xBZT compositions. Fig 3.13. Hysteresis loop of xBZT compositions 88 90 92 94 96 98 100 4 6 8 10 12 14 Tm (oC) x = 0.48 ln (f ( H z) ) Sè liÖu thùc nghiÖm §-êng lµm khíp -30 -15 0 15 30-30 -15 0 15 30 -30 -15 0 15 30-30 -15 0 15 30 -26 -13 0 13 26 -26 -13 0 13 26 0.56BZT E (kV/cm) 0.52BZT 0.48BZT0.46BZT0.44BZT 0.54BZT 0.50BZT 0.42BZT P ( C /c m 2 ) 10 The P(E) loops are fairly slim, typical for relaxor ferroelectricity where permits us determine values of remnant polarization Pr, and coercive field, EC, of the ceramics (see table 3.8). Table 3.8. Values of EC (kV/cm) and Pr (µC/cm 2 ) of xBZT samples x 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 Pr 6.84 6.93 7.71 10.34 9.72 8.89 8.34 5.56 EC 3.81 3.49 2.11 1.58 2.22 2.57 2.65 2.80 Values of EC and Pr were strongly affected by BZT concentration. They were varied with each other in opposite direction. The influence of temperature on ferroelectricity of xBZT ceramics was investigated (see table 3.9). Table 3.9 Values of Pr and EC for 0.48BZT sample at various temperature T 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Pr 10.34 9.40 6.44 5.84 5.19 4.15 3.59 1.57 - EC 1.58 1.57 1.53 1.45 1.40 1.31 1.11 0.42 - With rising teperature on the sample, increased thermal motion energy lead to redouble chaotic level of dipoles. Thus remnant polarization and coersive field were ruduced (figure 6). As result the sharps of these hysteresis loops become narrow with increasing temperature. 3.4. Piezoelectric properties Fig 3.18 shows plots of Qm, dij, gij, k parameters versus BZT content. Fig 3.18. Plots of piezo electric parameters versus BZT content 0.40 0.44 0.48 0.52 0.56 100 200 300 400 500 600 0.40 0.44 0.48 0.52 0.56 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 140 160 180 200 220 240 |d31| d33 d15 d i j (p C /N ) g i j (1 0- 3 V m /N ) |g31| g33 g15 x kp kt k31 k33 k15 k Q m x Qm 11 All of piezoelectric parameters are changed as creasing BZT content and reach extreme values at 0.48BZT composition. Excellent piezoelectric properties at 0.48BZT sample have been seem to be MPB effects that like PZT materials. Chapter 4 SOME PHYSICAL PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED ZnO PARTICLES DOPED 0.48BZT-0.52BCT PIEZOELECTRIC MATERIAL 4.1. Preparing ZnO nanoparticles ZnO nanoparticles were synthesized using simply chemical method (CH3COO)2Zn + 2NH4OH → ZnO + 2(CH3COO)NH4 + H2O. 10 Obtained white precipitate was washed several times and annealed at a temperature of 250 o C for 1 h to remove unwanted products. Fig 4.1. XRD of ZnO nano powder The obtained ZnO particles are spherical in shape with their average diameter of about 59 nm (according to Scherrer equation). 4.2. Effect of ZnO nano on some physical properties of 0.48BZT material sintered at 1350 o C 4.2.1. Fabrication process Piezoelectric materials 0.48BZT doped with ZnO nano (0.48BZT-y, where y (%) is content in percent weight of ZnO nano) were prepared using conventional technique. 30 40 50 60 70 ( 2 0 1 )( 1 1 2 ) ( 2 0 0 )( 1 0 3 )( 1 1 0 ) ( 1 0 2 ) ( 1 0 1 ) ( 0 0 2 ) C - ê n g ® é ( 1 0 0 ) Lôc gi¸c 2 (o) 12 4.3.2. Structure ang microstructure Fig 4.3 is XRD patterns of 0.48BZT-y system. Fig 4.3. XRD patterns of 0.48BZT-y system From fig 4.3, all of samples have completely perovskite phase with tetragonal symmetry. It could be concluded that Zn 2+ ions were incorporated into host lattice to form a stable solid solution. Fig 4.5 shows SEM images of 0.48BZT-y system. Fig 4.5. SEM images for 0.48BZT-y system Fig 4.7 demonstrates plots of grain size and density versus ZnO nanoparticles concentration for 0.48BZT-y system. Fig 4.7. Grain size, Sg, and density, , as a function of ZnO nanoparticles content, y for 0.48BZT-y system 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 12 14 16 18 20 22 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 S g (  m ) y (%) (a) (b) y (%)  ( g / cm 3 ) 44.0 44.5 45.0 45.5 46.0 46.520 30 40 50 60 70 80 2(°) y = 0.15 y = 0.20 (b) y = 0.25 y = 0.00 y = 0.05 y = 0.10 (002)T (200)T (a) C - ê n g ® é ( ® v t® ) y = 0.15 y = 0.20 y = 0.25 y = 0.00 y = 0.05 y = 0.10 2(°) 13 Clean surfaces were observed for 0.48BZT-y samples with y = 0.00-0.15, and the grain size raised and reached maximum value of 21.6 µm at y = 0.15. Liquid phase was, however, appeared on the grain surface and boundary as y = 0.20, 0.25. It may be excess amount of ZnO nanoparticles during sintering accumulating at the surface and grain boundary to restrict particle size evolution. Therefore, the experimental results indicate that solubility limit of ZnO nanoparticles in 0.48BZT ceramics is below 0.15 wt.% at sintered temperature of 1350 o C 4.3.3. Dielectric properties ε(T) response shown in demonstrates broadenly ferro-paraelectric transition peaks. Fig 4.8. (T) response of 0.48BZT-y system For y = 0.00 compound, a phase transition was observed around 40 o C that is in the morphotropic phase boundary region of BZT-BCT system and seem to be related to to a tetragonal-rhombohedral phase transition. It is supposed a part of material has changed into rhombohedral phase with small amount so that this phase was not identified in X-ray patterns but can be observed in ε(T) curve. The mentioned phase transition was disappeared as raising content of ZnO nanoparticles. It may be shifted to lower temperature As shown in fig 4.10, degree of diffuseness of the system was raised as y increasing and reached the maximum value of 1.796 at y = 0.15, then reduced. 3000 6000 9000 12000 3000 6000 9000 12000 15000 3000 6000 9000 12000 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 3000 6000 9000 12000 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 3000 6000 9000 12000 3000 6000 9000 y = 0.05 y = 0.15  y = 0.10 y = 0.25 T (oC) y = 0.20 T (oC) y = 0.00 40oC 14 Fig 4.10. / /ln(1 1 )r rm as a function of ln( )mT T at 1 kHz for 0.48BZT-y system Fig 4.11 shows Raman spectrum of 0.48BZT-y system at room temperature. Fig 4.11. Raman spectrum of 0.48BZT-y system The Raman shift, υ, and half-width, FWHM, of the vibrational modes were specified by fitting Raman data with Lorentzian function. A1(TO2) mode was considered as most sensitive to to the lattice distortion, while E(TO2) mode has been associated with the tetragonal–cubic phase transition temperature. FWHM[A1(TO2)] reflected broadened level of fer-paraelectric transition which was similar to degree of diffuseness (fig 4.13a). E(TO2) was shifted to lower wave number (Fig 4.13b). It means that substitution for B-site by Zn 2+ results in reducing average B-O bonding energies. Thus, tetragonal-cubic phase transition temperature was diminished. -14 -12 -10 -8 1 2 3 41 2 3 4 -14 -12 -10 -8 -14 -12 -10 -8 Sè liÖu thùc nghiÖm y = 0.00, = 1.470 ln(T - Tm) ln (1 / r - 1/ r m ) §-êng lµm khíp y = 0.05,  = 1.542 y = 0.15,  = 1.796 y = 0.25,  = 1.376 y = 0.20,  = 1.454 y = 0.01,  = 1.559 200 400 600 800 1000 1200 y = 0.00 y = 0.05 y = 0.10 y = 0.15 y = 0.20 C -ê ng ® é (a .u ) A 1( LO 3) /E (L O 3) A 1( TO 3) E (T O 2) A 1( T O 2) A 1( T O 1) y = 0.25 Sè sãng (cm-1) 15 Fig 4.13. ZnO nanoparticles concentration dependence of (a) FWHM[A1(TO2)], and ψ, (b) υ[E(TO2)] and Tm 4.3.3. Ferroelectric characteristics Values of coercive field and remnant polarization are listed in table 4.8. Fig 4.8. Values of EC and Pr for 0.48BZT-y system y (%) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 EC (kV/cm) 1.36 1.52 1.58 1.72 2.21 2.72 Pr (µC/cm 2 ) 4.56 4.77 5.35 6.19 6.11 5.60 As we can see that, with creasing y, EC was continuously increased, whereas Pr was raised and obtained maximum value at y = 0.15, then reduced. Generated oxygen vacancies due to substituting Zn 2+ for B-site ions would be pinned the movement of ferroelectric domain walls. As a result, value of coercive field was increased. 4.3.4. Piezoelectric properties Fig 4.18. k, Qm, dij, gij as a function of ZnO nano concentration, y 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 340 350 360 370 380 65 66 67 68 69 70 71  E T O 2  ( cm   ) y (%) ETO2(cm) T m (  C ) (b) Tm (C) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 90 95 100 105 110 115 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 F W H M [A 1 (T O 2 )] y (%) FWHM[A1(TO2)]  (a)  0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 2 4 6 8 10 12 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 150 200 250 300 350 400 120 135 150 165 kp k31 kt k33 k Q m |g31| g33 y (%) |d31| d33 d i j (p C /N ) g i j (1 0- 3 V m /N ) y (%) Qm 16 As mentioned above, the comprehensive analysis of X-ray diffraction, SEM images and dielectric properties have proved the ZnO addition induced lattice distortion and the degree of this local lattice distortion increased up to the maximal value as ZnO concentration raised up to 0.15 wt%. It is supposed the spontaneous polarization in each nano-domain has contributed to overall spontaneous polarization that enhanced piezoelectric qualities of the material samples. Beyond value of 0.15, the piezoelectric parameters are decreased due to residual amount of ZnO nanoparticles agglomerating at surface and grain boundary restricting grain size growth. According to Ying-Chieh Lee et. al., Zn 2+ is substituted into the B-site to generate a doubly oxygen vacancy for neutralization. The presence of charged oxygen vacancies would be pinned the movement of ferroelectric domain walls, and consequently to enhance Qm value 4.3. Effect of sintering temperature on structure, microstructure, and piezoelectric properties of 0.48BZT-0.15 composition 4.3.1. Surveying structure of 0.48BZT-0.15 ceramic as afuntion of sintering temperature Fig 4.19 illustrates XRD patterns of 0.48BZT-0.15 material sintered at various temperature. Fig 4.19. (a) XRD pattern of 0.48BZT-0.15 ceramic sintered at different temperature in the range of (a) 20 o -70 o , (b) 44 o -46 o 20 30 40 50 60 70 80 44.7 45.0 45.3 45.6 45.9 1400°C 1350°C 1300°C 2 (200)R (200)T T ø g i¸ c M Æt t h o i 1450°C (002)T (b) C - ê n g ® é ( ® v t® ) 1300°C 1350°C 1400°C  1450°C (a) 17 All the samples have demonstrated pure perovskite phases. The ceramics sintered at lower 1450 o C possesses tetragonal phase. For the samples sintered at 1450 o C, there is coexistence of a tetragonal and rhombohedral phases with content of tetragonal phase of 67.3%. Fig 4.21 shows the comparision sintering temperature dependence of grain size and density between 0.48BZT-0.15 and 0.48BZT ceramics. According to that, grain size and density of 0.48BZT-0.15 material are lager than ones of 0.48BZT ceramic for every sintering temperature. It is said that sintering behavior can be improved with a part of nano ZnO 4.3.2. Influence of sintering temperature on some piezoelectric properties of 0.48BZT-0.15 ceramics Table 4.12. Values of kp, k33, d33 of 0.48BZT-0.15 ceramic at different sintering temperature T ( o C) kp k33 d33 (pC/N) 1300 0.32 0.48 340 1350 0.48 0.57 420 1400 0.49 0.61 474 1450 0.55 0.71 576 In general, the piezoelectric parameters of 0.48BZT-0.15 material increases simultaneously as rasing sintering temperature. It could be consequence of improving microstructure when sintering temperature 18 varies. Moreover, these parameters of 0.48BZT-0.15 composition are greater than ones of 0.48BZT sample at each sintering temperature (fig 4.23) Especially, values of kp and d33 for 0.48BZT-0.15 ceramic sintered at 1450 o C are higher than that of Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.1O3 doped with micro-size ZnO sintered at 1480 o C (d33 = 521 pC/N, kp ~ 0.48) which are reported by Wu el. al. Chapter 5 Studying piezoelectric resonance characterization using Finite Element Method 5.1. Finite Element Method Studying physical systems results in frequently special differential equetions. These equations can not be clearly solved, or their solutions could not be exact due to complicated boundary and domain conditions. In orther to deal with this matters, numberial methods, exspecially Finite Element Method (FEM), could be effectly employed. 5.2. Analyzing oscilation behaviour of disk-shape piezoelectric tranducers using FEM combinated with Comsol Multiphysics programs 5.2.1. Establishing a simulation problem for piezoelectric transducers 19 A simulation problem for piezoelectric transducers includes steps as follow Firstly, establish working regime for simulation program, then difine related variable and parameters. Seconly, build a model and select materials for piezoelectric tranducer. Selection of material was perform by inputing featured parameters into matries form. After that, applying load on tranducer, setting up suitable boundary conditions, and choosing analysis types were perform. Thirdly, find the solution for considered problems Finally, discus obtained results. 5.2.3. Some results of using FEM and CM program to analyze oscillation behaviour for disk-shape tranducer The chosen material was 0.48BZT composition with density of  = 5624 kg/m3 and other parameters listed in 5.1, 5.2. Table 5.1. Vaues of T S oijε /ε ( ) , dij, eij for 0.48BZT sample T S oijε /ε ( ) dij (pC/N) eij (C/m 2 ) d31 d33 d15 e31 e15 e33 5778 5198 3306 3258 -188 542 335 -7.6 13.1 26.4 Table 5.2. Elastic compliance and elastic stiffness constants of 0.48BZT ceramics 12 2 (10 m /N)Eijs 10 2 (10 N/m )Eijc 11 Es 12 Es 13 Es 33 Es 44 Es 66 Es 11 Ec 12 Ec 13 Ec 33 Ec 44 Ec 66 Ec 12.19 -4.27 -7.20 13.36 26.6 28.1 16.98 8.2 9.5 12.3 3.76 3.56 5.2.3.1. Evaluating oscillation region of 0.48BZT ceramic Fig 5.3 illustrates resonance spectra for 0.48BZT ceramics that got from experiment and FEM. 20 Fig 5.3. Resonance spectra for 0.48BZT ceramics resulted from experiment and FEM. Table 5.3 lists values of resonance, fm, antiresonance, fn, frequencies, corresponding impedance values of Zm, Zn resulted form fig 5.3, and coupling facror kp Table 5.3. Coupling factor and resonance characterization Parameters fm fn kp Zm Zn Zn/Zm (unit) (kHz) (kHz) () () FEM 244.8 279.2 0.54 1.25 71978 57582 Experiment 250.2 282.4 0.52 7.62 8265 1085 There was a good suitability in results between experiment and simulation. The difference between featured frequencies does not exceeded 2.2%, while the error of these coupling factors is 4.4%. However, there are significantly differences in amplitudes of oscillation spectrums corresponding to two methods. Zn/Zm fraction in simulation is 53 times as big as in experiment case. Fig. 5.4 Oscillation behavior of 0.48BZT disk at resonance frequency 220 240 260 280 300 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 FEM Thùc nghiÖm Z (  ) f (kHz) 21 Hình 5.4 là ảnh 3D mô tả sự dịch chuyển của biến tử áp điện tại tần số cộng hưởng. Về cơ bản, biến tử thực hiện dao động theo phương bán kính, song sự dịch chuyển trên bề mặt biến tử không đều nhau. Để làm rõ điều này, chúng tôi khảo sát trạng thái cộng hưởng tại biên và chính giữa của biến tử. Hồi đáp áp điện của các điểm này và của cả biến tử được định lượng trong bảng 5.4. Bảng 5.4. Các giá trị đặc trưng cộng hưởng và hệ số lên kết điện - cơ tại các vị trí trên biến tử và của toàn biến tử Vị trí fs fp kp Zm Zn Zn/Zm (kHz) (kHz) () () Biên 244.8 257.2 0.35 3.77 46220 12259 Tâm 244.8 321.2 0.74 1.23 341510 277650 Toàn phần 244.8 279.2 0.54 1.25 71978 57582 5.2.3.2. Ảnh hưởng của sự biến đổi kích thước biến tử lên tính chất cộng hưởng của hệ 0.48BZT Hình 5.7 là phổ cộng hưởng của mẫu 0.48BZT đường kính d = 10.8 mm, khi chiều dày t thay đổi trong khoảng (0.2-1.2) mm. Hình 5.7. Phổ cộng hưởng thu được từ FEM của đĩa áp điện với các chiều dày khác nhau Từ hình 5.7a, khi chiều dày tăng, các tần số cộng hưởng và phản cộng hưởng của dao động cơ bản gần như không thay đổi, nghĩa là hệ số kp không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi chiều dày mẫu. Tuy nhiên, 200 300 400 500 600 700 800 10 -1 10 1 10 3 10 5 10 7 600 650 700 750 800 f (kHz) Z (  ) (a) f (kHz) (b) 0.2 mm 0.4 mm 0.8 mm 0.8 mm 1.0 mm 1.2 mm 22 sự dịch chuyển tần số xảy ra ở các dao động hài (hình 5.7b), mà cụ thể là, các tần số này dịch về phía thấp khi tăng bề dày của mẫu. Hình 5.9 mô tả sự phụ thuộc của độ dịch chuyển toàn phần, , theo tần số, f, đối với đĩa áp điện 0.48BZT khi chiều dày thay đổi. Hình 5.9. Độ dịch chuyển toàn phần, , là hàm của tần số, f đối với đĩa áp điện 0.48BZT theo các chiều dày khác nhau Có thể thấy, các biến tử bị dịch chuyển mạnh nhất tại tần số cộng hưởng. Khi chiều dày, và do đó, tỷ số giữa đường kính và chiều dày, d/t, thay đổi, độ dịch chuyển toàn phần tại tần số cộng hưởng, r, thay đổi từ 1.85 µm đến 35.58 µm (bảng 5.5). Bảng 5.5. Giá trị r ứng với các tỷ số d/t d/t 54 27 18 13.5 10.8 9 r (µm) 1.98 4.78 9.88 35.58 2.08 1.85 5.3. Investigating the resonance properties of a cymbal transducer using 0.48BZT piezoelectric material 5.3.1. Introduction to Cymbal transducer The Cymbal transducer, a schematic of which is shown in fig. 5.10, consist of a piezoceramic disk sandwiched between two metal en-caps. The part of space between them is filled with air. The low-displacement radial motion of piezoceramic disk caused a high- displacement axial motion of metal end caps. 0.0 1.4 2.8 4.2 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 300 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 10 20 30 40 300 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0   m )   m )   m )   m )   m ) f (kHz) t = 0.6 mm   m ) f (kHz) t = 0.2 mm t = 1.0 mm t = 0.4 mm t = 1.2 mm t = 0.8 mm 23 Fig 5.10 describes the cross-section of a cymbal transducer in which do, ho are the diameter and thickness of air-filled space, and to is the thickness of the metal caps. 5.3.2. Comparison of the oscillation behavior of disk-shaped and Cymbal tranducers Fig 5.11 shows the plots of total displacements versus frequency for the disk-shaped and Cymbal transducers The value of the resonance frequency is 93.1 kHz for the disk- shaped tranducer, while that of Cymbal tranducer is 14.7 kHz. The resonance properties of Cymbal transducer were also affected by the variation in their dimentions. 5.4. Expiriment of preparing Cymbal transducer using 0.48BZT material Piezoelement 0.48BZT with d = 26.6 mm, t = 0.7 mm was fabricated using conventional technique. End caps were made of copper with to = 0.2 mm, do = 19.6 mm, and ho = 0.5 mm. 24 Piezoelectric element and caps were contact with each other by a very thin layer of epoxy resin. The plots of impedance versus frequency for Cymbal and disk transducers are given in fig 5.16. CONCLUSIONS We have developed manufacturing procedure and successfully fabricated the non lead piezoelectric ceramics xBaZr0.2Ti0.8O3-(1- x)Ba0.7Ca0.3TiO3 (abbreviated as xBZT) sintered at 1450 o C. Some important results are listed as below + As increasing BZT content, the crystal symmetry change from a tetragonal phase to rhombohedral one. Moreover, there is a coexistence of tetragonal and rhombohedral phases at x = 0.48. It is permissible to predict that MPB is located at 0.48BZT composition. This result I different from previous work, where MPB composition is x = 0.50 This is the first new contribution of our thesis + A full set of eleastic, dielectric, piezoelectric parameters were calculated. For 0.48BZT sample, the high values of d33, d31, d15, k33, kp, kt, k15, k31 are 542 pC/N, -188 pC/N, 335 pC/N, 0.66, 0.52, 0.55, 0.45, 0.30, respectively. These results confirm that xBZT materials are excellent candidates to replace for Pb-based materials. This is the second new point of our thesis. 25 + ZnO nanoparticles doped 0.48BZT ceramics were successfully using conventional technique. As a result, 0.48BZT doped with 0.15 wt% ZnO nanoparticles sample sintered at temperature of 1350 o C possesses very high piezoelectric parameters. The values of d33, k33, kp for this composition are 420 pC/N, 0.57, 0.48, respectively. For sample sintered at 1450 o C, excellent values of d33, kp are 576 pC/N, 0.55, respectively. This is the third new information of our thesis + The combination of finite element method and COMSOL Multiphysics was employed to study oscillation behaviour of disk- shaped and Cymbal transducer based 0.48BZT ceramic. The simulation results are well appropriate with the results from experiments that assert remarkable piezoelectric properties of the 0.48BZT material. The material system is suitable for hydro-acoustic applications. + The experiences in preparing Cymbal transduce used 0.48BZT piezoelectric element were implemented, and the shift in resonance frequency of Cymbal transducer are examined. Consequently, Cymbal transducer could be work at lower frequency of about 6.6 times compared to that of the same diameter disk-shaped transducer. This is the fourth new contribution of our thesis. Based on obtained results, we suggest two following matters. Firstly, continuing to study how to lower the sintering temperature of the materials to save costs and increase the competitiveness in applications Secondly, improving the Curie temperature to expand application range for the materials. The proper settlements of two major drawbacks make BZT-BCT systems become the excellent materials for application. 26 PUBLICATIONS Articles in ISI list 1. Dang Anh Tuan, Nguyen Trong Tinh, Vo Thanh Tung and Truong Van Chuong, Ferroelectric and Piezoelectric Properties of Lead-Free BCT- xBZT Solid Solutions, Materials Transactions, Vol. 56, No. 9 (2015) pp. 1370-1373 2. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Truong Van Chuong, Nguyen Trong Tinh, Nguyen Thi Mai Huong, Structure, Microstructure and Dielectric Properties of Lead-free BCT- xBZT Ceramics near the Morphotropic Phase Boundary, Indian Journal of Pure & Applied Physics, Vol. 53, June 2015, pp. 409-415 3. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Truong Van Chuong, Le Van Hong, Properties of Lead-free BZT-BCT ceramics synthesized using nanostructured ZnO as a sintering aid, International Journal of Modern Physics B (2015) (Acepted) Other articles 4. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Le Van Phuong, Analyzing 2D Structure Images of Piezoelectric Ceramics Using ImageJ, International Journal of Materials and Chemistry 2014, 4(4): 88-91 5. Vo Thanh Tung, Nguyen Trong Tinh, Nguyen Hoang Yen, Dang Anh Tuan, Evaluation of Electromechanical Coupling Factor for Piezoelectric Materials Using Finite Element Modeling, International Journal of Materials and Chemistry 2013, 3(3): 59-63 6. Vo Thanh Tung, Nguyen Trong Tinh, Nguyen Hoang Yen, Le Thi Ngoc Bao and Dang Anh Tuan, Finite Element Modeling in Analyzing Physical Properties of the Pb-Free Piezoelectric 27 Materials, Journal of Materials Science and Engineering A 3 (4) (2013) 283-289 7. Vo Thanh Tung, Nguyen Trong Tinh, Truong Van Chuong, Nguyen Thi Mai Hương, Dang Anh Tuan, Le Van Truyen, Investigation the Dimensional Ratio Effect on the Resonant Properties of Piezoelectric Ceramic Disk, Journal of Modern Physics, 2013, 4, 1627-1631, 8. Vo Thanh Tung, Dang Anh Tuan, Nguyen Hoang Yen, Le Thi Ngoc Bao, “Finite Element Method in Analyzing the Vibration Modes of Piezoelectric Ceramics”, Hue University Journal of Science, Vol 84, No 6 (2013) 9. Dang Anh Tuan, Vo Thanh Tung, Le Thi Thu Hien, Le Xuan Diem Ngoc, Hoang Quoc Khanh, Truong Van Chuong, An Acoustic Cymbal Transducers Based On Lead-Free Piezoelectric Materials BZT-xBCT, SPMS2015, Ho Chi Minh City