Tinh Thể áp điện, Vật Liệu Quan Trọng Trong Công Nghiệp Hiện đại.

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG CẢU TINH THỂ ÁP ĐIỆN.

Hiện tượng áp điện (tiếng Anh là piezoelectric phenomena) là một hiện tượng được nhà khoáng vật học người Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880. Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch nhưng khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra dòng điện. Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại. Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực. Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb, zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện. (VD: thạch anh).

***Giới thiệu, phân tích về hiện tượng áp điện và các loại tinh thể áp điện.

            Một loạt mở rộng các công nghệ đã được nghiên cứu với việc sử dụng các vật liệu áp điện thông minh. Hiệu ứng áp điện trực tiếp, còn được gọi là hiệu ứng áp điện đơn giản, là khả năng của những vật liệu nhất định – các khoáng vật, các vật liệu gốm và một số polyme – tạo ra điện tích tương ứng với áp lực cơ học tác động lên chúng. Cũng có thể quan sát thấy hiệu ứng nghịch – sự biến dạng của các vật liệu áp điện trong điện trường bên ngoài.

Hiệu ứng áp điện thuận đã được hai anh em Pier và Jack Curie phát hiện năm 1880. Họ đã chú ý tới hiện tượng, khi nén một tấm được cắt ra thu được sự định hướng ảnh tinh thể nhất định từ tinh thể thạch anh, đã gây ra sự tạo thành điện tích trên các mặt vuông góc với hướng nén: điện tích dương trên một mặt, và điện tích âm trên mặt kia. Khi kéo phiến tinh thể cũng xảy ra sự tạo thành các điện tích, nhưng nếu điện tích trên một mặt nào đó khi nén đã là âm, thì điện tích trên mặt đó khi kéo lại là dương và ngược lại. Hiệu ứng áp điện thuận xuất hiện trong trường hợp, khi mà biến dạng đàn hồi của vật rắn xảy ra kèm theo sự xê dịch phi đối xứng phân bố các điện tích dương và âm, các ngẫu cực hay các nhóm ngẫu cực song song (của các miền Veiss) trong cấu tạo của vật rắn, tức là làm xuất hiện mômen lưỡng cực chung, hay vật rắn bị phân cực. Hiệu ứng áp điện nghịch xuất hiện trong trường hợp, khi mà điện trường bên ngoài gây ra sự phân bố lệch các điện tích, các ngẫu cực hay các miền Veiss, gây ra sự xê dịch hình học, xuất hiện dưới dạng các biến dạng cơ học (hình 4).

Hình. 4. Các hiệu ứng áp điện thuận và nghịch. Hiệu ứng áp điện thuận trong quá trình nén và kéo mẫu của vật liệu áp điện, diễn ra sự tạo thành các điện tích trái dấu trên các mặt tương ứng của mẫu(các ảnh phía trên). Trong hiệu ứng áp điện nghịch, khi tạo ra sự chênh lệch điện thế đối với mẫu của vật liệu áp điện gây ra biến dạng ∆h (hình phải bên dưới) – đối lập với hiệu ứng áp điện thuận, trong đó biến dạng ∆h tạo ra sự chênh lệch các điện tích (hình trái bên dưới).

Hiện nay, hiệu ứng áp điện được phát hiện trong nhiều dạng vật liệu. Anh em nhà Curie đã phát minh ra hiệu ứng áp điện trong các vật liệu thiên nhiên, như thạch anh, turmalin, topaz và muối xecgnetov (muối kali-natri vino toan 4 phân tử nước KNaC4H4O6.4 H2O). Trong số này hiện nay chỉ có thạch anh là được sử dụng vào những mục đích công nghiệp. Tất cả các vật liệu áp điện tinh thể đơn quan trọng khác trong thực tế, như điphotphat amonia NH4H2PO4, ortophotphat galia GaPO4 và các oxyt phức tạp của lantan và galia, đều được chế tạo nhân tạo.

Mặc dù các vật liệu áp điện tinh thể đơn vẫn tiếp tục được nghiên cứu cho tới nay, nhưng một nhóm các vật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả trong công nghiệp đó là các vật liệu áp điện đa tinh thể. Chúng có một tập hợp phong phú các tính chất có ích, chúng còn có khả năng tham gia phản ứng trong một phạm vi rộng những điều kiện làm việc. Vào thời điểm hiện nay, một nhóm lớn nhất các vật liệu gốm áp điện – đó là những vật liệu cấu tạo từ các tinh thể có cấu trúc kiểu perovskit.(11)Đó là những oxyt kim loại phức tạp có công thức chung là ABO3, trong đó A và B là các cation kích thước khác nhau. Cation A có thể là Na, K, Rb, Ca, Sr, Ba và Pb, còn cation B có thể là Ti, Sn, Zr, Nb, Ta và W.

Đôi khi mỗi đôi các cation A và B có thể gồm hai hay nhiều cation trong hoá học lập thể tổng quát(thí dụ, trong sirconat – titanat chì PbZrxTi1-xO3). Những vật liệu gốm áp điện được sử dụng rộng rãi hơn cả cấu tạo từ các tính thể có cấu trúc kiểu perovskit, là những titanat bari BaTiO3 (là vật liệu được phát hiện đầu tiên), titanat chì PbTiO3, sirconat-titanat chì(là vật liệu áp điện hiện nay được sử dụng rộng rãi hơn cả), sirconat-titanat chì-lantan Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3 và magnoniobat chì PbMg1/3Nb2/3O3.(12)

Sau giai đoạn kết tụ trong quá trình sản xuất các vật liệu gốm này, những đipol (ngẫu cực) trong chúng dường như chỉ song song ở bên trong của mỗi vật nung, trong khi đó ở chính trong miền lại phân cực một cách hỗn loạn. Biến dạng đàn hồi của tập hợp các ngẫu cực phân cực hỗn loạn không thể dẫn đến sự xê dịch phi đối xứng phân bố các điện tích và bởi vậy không thể gây ra hiệu ứng áp điện. Bởi vậy bước cuối cùng sản xuất gốm áp điện bao giờ cũng bao gồm tạo ra điện trường mạnh dưới nhiệt độ tăng cao, sau đó các vật liệu nung phân cực tương đối giống nhau và vật liệu trở thành áp điện (hình 5).

Hình 5. Các hiệu ứng phân cực. Các ngẫu cực (đipol) trong vật liệu gốm nung kết chỉ song song bên trong mỗi vật nung, trong khi đó các vật nung lại phân cực hỗn loạn(hình bên trái). Sau phân cực trong điện trường mạnh Ep dưới nhiệt độ tăng cao thì các vật nung trở thành phân cực thực sự trên một hướng, và vật chất trở thành áp điện (bên phải).

Một số polyme từ đầu đã là áp điện hay có thể tạo chúng thành áp điện. Các chất tương tự nằm trong số những hợp chất cao phân tử thiên nhiên(keratin, kolagen, một số polypeptit, các chất màng định hướng DNK) có thể thu được bằng cách tổng hợp (một số nilon và polymochevin). Tuy nhiên, hiện nay những polyme áp điện duy nhất được sản xuất công nghiệp đó là những chất polyvinylidene difluoride – PVDF và các copolyme của chúng với những triftoetylene và tetraftoretylene.(14) PVDF một phần là polyme tổng hợp kết tinh có công thức hoá học là (CH2-CF2)n. Nó được chế tạo ở dạng những màng mỏng, được kéo dọc theo mặt phẳng của màng và phân cực vuông góc với mặt phẳng này để tạo ra các tính chất áp điện (hình 6).

Hình 6. Gia công PVDF để tạo ra các tính chất áp điện cho nó. Trên màng được đổ từ chất polyme nóng chảy có các tinh thể kích thước từ hàng chục tới hàng trăm nanomet phân bố hỗn loạn giữa các miền vô định hình(hình trên cùng). Sự giãn ra của màng polyme (hình giữa) dẫn đến làm thẳng các chuỗi mạch polyme trong các miền vô định hình trên mặt phẳng của màng và kích thích sự xoay đồng nhất của các tinh thể khi đặt trong điện trường. Sự phân cực theo độ dày của màng (ví dụ khi sử dụng các điện cực kim loại kết tủa) sẽ tạo ra các tính chất áp điện cho màng(hình dưới cùng).

Như vậy các vật liệu áp điện có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại, phổ biến hơn cả chúng được sử dụng trong các bộ cảm biến điện cơ khác nhau và các cơ cấu vận hành. Các vật liệu áp điện được sử dụng trong các cảm biến có các giá trị vật lý khác nhau(như lực, áp suất, vận tốc, va đập cạnh và tốc độ chạy), cũng như trong các mocrophone, hydrophone, trong các cảm biến siêu âm, các cảm biến địa chấn, trong các máy thu âm và trong nhiều dụng cụ khác.

Một thí dụ đáng chú ý về bộ cảm biến áp điện phân bố liên tục đó là các chất màu áp điện thông minh.(15) Chất màu này có thể được chế tạo từ bột của vật liệugốm(sirơconat-titanat chì), được lấy làm chất tạo màu, và các keo epoxy dùng làm chất tạo màng. Hỗn hợp được quét trên mặt phẳng, sau đó đông cứng và polyme hoá trong nhiệt độ phòng. Kết quả thu được màng của chất màu như một cảm biến rung và phát ra âm đối với toàn bộ bề mặt. Các chất màu thông minh như vậy có thể sử dụng để phủ các khoảng lớn bề mặt của các chi tiết kết cấu và thậm chí của toàn bộ kết cấu, thí dụ như của các cầu, dùng để kiểm tra độ toàn khối của chúng. Gần đây đã tiến hành những thử nghiệm về những tác đọng của khí hậu trên các cầu bắc qua các sông ở Anh và Phần Lan cho thấy rằng, các bộ cảm biến trên cơ sở chất màu áp điện có thể giữ được khả năng hoạt động trong những điều kiện khí hậu khắc nghiệt trong không khí và duy trì ở trạng thái hoạt động ở mức ít nhất là 6 năm.

Những thí dụ quan trong khác về các cơ cấu chức năng áp điện đó là những bộ khuyếch đại âm thanh, những động cơ áp điện và những cơ cấu chức năng vi mô có độ chính xác cao. Hoạt động của những vi cơ cấu chức năng chính xác dựa trên khả năng của những vật liệu áp điện có những thay đổi nhỏ về hình dạng dưới tác động của những thay đổi nhỏ về điện thế tác động lên chúng. Điều đó cho phép thực hiện điều khiển chính xác vị trí và sự chuyển vị của các chi tiết và các bộ phận, là cực kỳ quan trọng cho sự hoạt động đúng đắn của các thiết bị khác nhau, gồm cả các đầu máy in tới những hệ thống điều hành.

Một thiết bị quan trọng hơn cả trong nhóm các thiết bị áp điện đó là các máy phát siêu âm áp điện, chúng khác so với các kiểu máy phát ma sát từ và các loại máy khác là chúng đảm bảo phát siêu âm hiệu quả hơn với công suất và tần số được kiểm soát. Siêu âm trong các máy phát này được tạo ra nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện nghịch. Một điện trường định kỳ tác động lên vật liệu áp điện sẽ khiến nó nở ra và bị nén, phát ra các sóng áp lực.

Việc tạo ra những máy phát siêu âm áp điện dường như có tính chất quyết định đối với việc nghiên cứu triển khai trong một phạm vi rộng những ứng dụng khác. Lần đầu tiên hiệu ứng áp điện đã được ứng dụng thực tế trong máy phát siêu âm áp điện thạch anh của trạm kích hoạt thuỷ lực dùng để phát hiện ra các tầu ngầm trong Chiến tranh thế giới thứ nhất vào năm 1915.(17) Từ đó việc ứng dụng này đã sản sinh ra một loạt ứng dụng rộng rãi các phương pháp phát hiện những khuyết tật (tạp chất) trong các môi trường khác nhau. Máy phát hiện khuyết tật siêu âm được ứng dụng để nghiên cứu một phổ rộng rãi những vật liệu và kết cấu, bao gồm các ống và các đường ống khác nhau. Trong cuộc sống bình thường con người thường gặp những ứng dụng tương tự khi tiến hành những nghiên cứu bằng siêu âm trong y tế (UZI) – các quy trình quan sát các mô và nội quan của cơ thể người. Đặc biệt phổ biến là các UZI bệnh phụ khoa để quan sát trạng thái của phôi và thai trong bụng mẹ, là những quy trình tiêu chuẩn trong lĩnh vực phục vụ y tế dành cho những phụ nữ mang thai ở nhiều nước trên thế giới.

Các dụng cụ áp điện cũng được ứng dụng rộng rãi trong ngành dầu khí. Linh kiện áp điện thạch anh là một chi tiết quan trọng của áp kế thạch anh CQG (Crystal Quartz Gauge) của Công ty Schlumberger, được sử dụng trong bộ cảm biến áp suất của rất nhiều công cụ khác nhau. Các bộ phận được chế tạo từ vật liệu gốm áp điện là những bộ phận chủ yếu của thiết bị đo địa chấn, đo âm và siêu âm của công ty Schlumberger. Những dụng cụ này gồm có các bộ nguồn đo mạch bằng siêu âm và các hydrofone của hệ thống thăm dò địa chấn biển Q – Marine có ghi tín hiệu riêng rẽ từ mỗi máy thu và từ hệ thống khảo sát đáy biển đa linh kiện Q – Seabed, cũng như từ máy thu và và các máy phát đơn hệ quét siêu âm thềm lục địa Sonic Scanner, của hệ thống kiểm tra chất lượng cố kết Isolation Scanner và dụng cụ carota âm trong quá trình khoan Sonic VISION. Mặc dù hiên nay việc sử dụng các thiết bị áp điện chỉ mới hạn chế ở các bộ cảm biến, dự báo rằng ngành thiết bị dầu khí trong tương lai có thể ứng dụng hiệu ứng áp điện trong các thiết bị để thu năng lượng (energy harvesting) và trong các bộ vi xử lý vận hành.

———-NGUYỄN MINH HIẾU———