Tiến Sĩ Nghiên cứu chế tạo thiết bị siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu TiO2 cấu trúc nanô

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BIẾN TỬ GỐM ÁP ĐIỆN 5
1.1. Bài toán truyền sóng âm trong môi trường áp điện . 5
1.1.1 Cấu tạo của biến tử ghép kiểu Langevin 5
1.1. 2 Bài toán truyền sóng trong thanh áp điện phân cực theo chiều dài, dao động
theo chiều dài. .6
1.2. Mạch điện tương đương Mason . 8
1.3 Cơ sở thiết kế biến tử áp điện kiểu Langevin 15
1.3.1. Ưu điểm của biến tử ghép .15
1.3.2. Cải thiện mật độ bức xạ và dải thông 19
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 NANÔ 22
2.1. Giới thiệu về TiO2 22
2.2. Cơ chế xử lý nước và không khí bằng quang xúc tác 23
2.2.1. Những nguyên lý cơ bản 24
2.2.1.1. Vai trò của photon kích thích, sự chuyển dời điện tử và hấp thụ. .24
2.2.1.2. Sự ảnh hưởng của các nhân tố đến phản ứng quang xúc tác. 27
2.2.1.3. Những ưu điểm và hạn chế khi sử dụng TiO2 làm chất quang xúc tác 27
2.2.1.4. Ảnh hưởng của cấu trúc và vi cấu trúc của TiO2 đến phản ứng quang xúc tác 28
2.2.3. Các dạng biến thể của TiO2 30
2.2.4.Ứng dụng của TiO2 kích thước nanô 32
2.3. Tình hình nghiên cứu TiO2 kích thước nanô .34
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BIẾN TỬ ÁP ĐIỆN TRÊN CƠ SỞ
HỆ VẬT LIỆU GỐM PZT(51/49) – 0,4 % kl MnO2 PHA TẠP ZnO .36
3.1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật lý của gốm PZT(51/49) – 0,4 % kl MnO2
pha tạp ZnO .36
3.1.1. Chế tạo gốm bằng phương pháp truyền thống 38
3.1.2 Sự phụ thuộc của các thông số điện, điện môi, khối lượng riêng vào nhiệt độ thiêu
kết và hàm lượng pha tạp. .39 vi
3.1.3. Cấu trúc và vi cấu trúc của gốm 41
3.1.3.1. Cấu trúc 41
3.1.3.2. Vi cấu trúc 43
3.1.4. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ 44
3.1.5. Đặc tính trễ sắt điện của vật liệu .46
3.1.6. Nghiên cứu các tính chất áp điện của gốm PZT51/49 – 0,4 % kl MnO2 – 0,15
%kl ZnO 48
3.2. Chế tạo biến tử siêu âm công suất 50
3.2.1 Xác định vận tốc truyền sóng âm trong vật liệu 50
3.3. Lắp ráp cụm biến tử . 53
3.4. Nghiên cứu lắp ráp mạch phát siêu âm công suất 57
3.5. Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát siêu âm công suất cao 58
3.5.1. Nghiên cứu chế tạo thiết bị phát siêu âm đa tần .59
3.5.2. Nghiên cứu chế tạo thiết bị siêu âm tổng hợp vật liệu 60
CHƯƠNG 4. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TiO2
CÓ CẤU TRÚC NANÔ VÀ ỨNG DỤNG 63
4.1. Chế tạo vật liệu TiO2 có cấu trúc nanô dạng ống .63
4.2 Đặc trưng, tính chất của bột TiO2 tổng hợp bằng phương pháp siêu âm – thủy nhiệt .64
4.2.1. Vi cấu trúc .64
4.2.2. Cấu trúc của bột TiO2. .67
4.3. Chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp .70
4.3.1 Chế tạo bột TiO2 nanô pha tạp Fe 70
4.3.1.1. Cấu trúc và vi cấu trúc của vật liệu TiO2 nanô pha tạp sắt 71
4.3.3.2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2 nanô pha tạp sắt 74
4.4. Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2 dạng dung dịch và ứng dụng 76
4.4.1 Chế tạo dung dịch TiO2 77
4.4.2. Tính chất quang và quang xúc tác của dung dịch TiO2 77
4.4.2.1.Phổ truyền qua của dung dịch TiO2 77
4.4.2.2. Tính chất quang xúc tác của dung dịch TiO2 .78 vii
4.5. Chế tạo màng TiO2 nanô .79
4.5.1 Chế tạo màng TiO2 bằng phương pháp phun tĩnh điện 79
4.5.2. Chế tạo màng TiO2 trên gạch men 82
4.6. Chế tạo vật liệu PZT51/49 – 0,4 % kl MnO2 bằng sử dụng nguyên liệu TiO2 nanô 84
4.6.1. Nghiên cứu các tính chất vật lý, cấu trúc và vi cấu 85
4.6.2. Một số kết quả nghiên cứu tính chất sắt điện và áp điện của hệ gốm PZT51/49
- 0,4 % kl MnO2 sử dụng TiO2 nanô .89
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93
DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN LUẬN ÁN 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO 97
viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cấu tạo của biến tử kiểu Langevin 6
Hình 1.2. Mạch điện tương đương của môi trường không áp điện .12
Hình 1.3. Mạch điện tương đương của môi trường áp điện 13
Hình 1.4. Mạch tương đương của khối áp điện gồm p bản .14
Hình 1.5. Mạch tương đương của biến tử áp điện kiểu Langevin .15
Hình 1.6. Mạch tương đương rút gọn của biến tử Langevin .15
Hình 1.7. Mô hình chi tiết biến tử Langevin kép 16
Hình 1.8 (a) Biến tử ghép nửa sóng có 2 bản gốm ở giữa giống nhau nhưng khác
các phần ở hai đầu. Các đường cong (b) và (c) chỉ có ý nghĩa nếu
s2<sc<s1 ;m2v2>mcvc>m1v1 và A2>Ac>A1 (trường hợp sử dụng
hệ liên kết thép - PZT - Mg) .20
Hình 1.9 Sự phụ thuộc của chiều dài khối kim loại
i
l theo tần số làm việc (
c  1/l
)
đối với một cặp vòng xuyến có chiều dày lc 21
Hình 1.10. Sự phụ thuộc của độ khuếch đại cường độ siêu âm theo tần số làm việc
(
c  1/l
) đối với một cặp vòng xuyến có chiều dày lc 22
Hình 2.1. Tinh thể anatase: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể. .22
Hình 2.2. Tinh thể Rutil: (a) dạng trong tự nhiên; (b) cấu trúc tinh thể. 22
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình tạo thành cặp điện tử - lỗ trống và sự tạo ra các gốc tự do
và các ion trên bề mặt. .24
Hình 2.4. Ứng dụng của TiO2 kích thước nanô. .34
Hình 3.1. Quy trình công nghệ chế tạo gốm 38
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của tỷ trọng, tổn hao tan
δ và hằng số điện môi

(tại tần số
1kHz) vào nhiệt độ thiêu kết 41
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của tỷ trọng, tổn hao tan
δ và hằng số điện môi

(tại tần số
1kHz) vào hàm lượng ZnO 41