Hội đồng đánh giá, nghiệm thu nhiệm vụ KH&CN cấp quốc gia: Nghiên cứu phát triển biến tử áp điện dùng để chế tạo các thiết bị siêu âm - thủy âm

Hội đồng nghiệm thu nhiệm vụ gồm có 09 thành viên do GS.TS. Nguyễn Đức Chiến, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Bộ Giáo dục và Đào tạo làm Chủ tịch Hội đồng; GS.TS. Bạch Thành Công, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đồng thời là Tổ trưởng Tổ chuyên gia chủ trì phiên họp.

PGS. TS. Võ Thanh Tùng thay mặt nhóm nghiên cứu trình bày tóm tắt các nội dung nghiên cứu và kết quả của nhiệm vụ
 

Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học đã, đang được nghiên cứu và phát triển ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trên thế giới. Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồn siêu âm mà chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và công nghệ. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của siêu âm là liên quan đến việc phát và thu sóng âm. Khi ứng dụng này được sử dụng trong môi trường nước chúng còn được gọi là thủy âm. Trong giai đoạn phát triển công nghệ hiện nay, chúng ta có thể nói rằng, nếu ngự trị trên không trung là sóng điện từ thì dưới nước là sóng âm - siêu âm.

Việt Nam là một quốc gia về biển, tuy nhiên cho đến nay do nhiều nguyên nhân vẫn chưa có một cơ sở nào phát triển công nghệ thuỷ âm tương xứng để đảm bảo cho sự an ninh quốc phòng trong lĩnh vực hải quân. Hầu hết các thiết bị thu phát sóng âm - siêu âm trong nước đều nhập ngoại hoàn toàn. Các thiết bị siêu âm là phức tạp, đa dạng, đắt tiền, song linh hồn chính của chúng chính là các biến tử thu phát sóng siêu âm. Phổ biến hiện nay, các biến tử thu phát siêu âm được chế tạo chủ yếu từ vật liệu gốm áp điện có tên thương mại PZT- 4, PZT-8... Việt Nam chúng ta vẫn chưa chế tạo được. Vì vậy, việc nghiên cứu để chế tạo các biến tử trên cơ sở PZT nhằm mục đích thay thế các biến tử thu phát siêu âm đã và đang được nhập ngoại là mục đích của hướng nghiên cứu này.

Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học (nay là Khoa Điện, Điện tử và Công nghệ Vật liệu) trong gần hơn 36 năm qua với nhiều kinh nghiệm trong các lĩnh vực nghiên cứu, chế tạo vật liệu áp điện, các biến tử, mô phỏng, nghiên cứu ứng dụng biến tử áp điện trong siêu âm công suất và thủy âm; tích hợp một cách sáng tạo nhất các kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về thiết kế cấu trúc, các giải pháp công nghệ mới, các phương thức pha tạp mới, kỹ thuật định hướng, ủ nhiệt..., đặc biệt cùng với những trang thiết bị đã được đầu tư nhằm hỗ trợ giải quyết thành công bài toán khó đã đặt ra. Trên cơ sở đó, dựa theo định hướng Chương trình phát triển vật lý đến năm 2020 ban hành kèm theo Quyết định 380/QĐ-TTg ngày 24/3/2015 của Thủ tướng Chính phủ, đồng thời nằm trong các định hướng nghiên cứu ưu tiên của ngành Vật lý đến năm 2020 tầm nhìn 2030 được cụ thể hóa trong Quyết định số 677/QĐ-BKHCN ngày 08/4/2015 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ đã phê duyệt nhiệm vụ "Nghiên cứu phát triển biến tử áp điện dùng để chế tạo các thiết bị siêu âm - thủy âm" do PGS.TS Võ Thanh Tùng làm chủ nhiệm; Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế là Cơ quan chủ trì thực hiện từ tháng 01/2018 đến tháng 12/2020 với ba mục tiêu chính:

- Xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo các loại vật liệu áp điện cứng và mềm trên cơ sở PZT và vật liệu áp điện không chì;

- Chế tạo được các biến tử áp điện đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cho thiết bị siêu âm dùng trong xử lý nước, nuôi trồng thủy sản;

- Xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về vật lý, công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu áp điện, góp phần phát triển đội ngũ cán bộ khoa học và công nghệ.

I. Kết quả đã đạt được của nhiệm vụ: 

1. Sản phẩm dạng I:

1.1. 0,5 kg vật liệu gốm áp điện mềm nền chì (Pb_0.988(Zr_xTi_1-x)_0.976 –zNb_0.024Sb_zO₃ với tên hệ gốm CH3A (Zr/Ti = 0,52/0,48, z < 0,024) có các thông số: kp = 0,66; d₃₃ = 518 pC/N, Qm = 75, TC = 361⁰C;

1.2. 0,5 kg vật liệu gốm áp điện cứng nền chì (0.97[Pb_0.94Sr_0.05La_0.01)(Zr_0.53Ti_0.47)_0.9975O₃] – 0.024[Bi(Mn_1/2Ti_1/2)O₃] – 0.006 [Pb(Mn_1/3Sb_2/3] này được ký hiệu là TH3-006Sb (hay TH3A)) có các thông số: k_p = 0,59, d₃₃ = 405 (pC/N), Q_m = 1095 và T_C ~ 330^oC;

1.3. 50 Bản biến áp hình xuyến với các thông số:

- Dải tần: 10 kHz - 30kHz;

- d₁ ≤ 50mm, d₂ ≤ 15mm, t < 6,5mm;

- Độ nhạy: 750mV/Pa;

- k_p = 0,68, d₃₃ = 540 (pC/N), Q_m = 70, T_C = 361⁰C;

1.4. 20 cái máy siêu âm công suất cao kiểu hội tụ với các thông số:

- Nguồn nuôi: 220V;

- Dải tần làm việc: Từ 20 kHz đến 28 KHz (thay đổi được);

- Công suất: 50W đến 500W;

1.5. 20 cái máy siêu âm công suất cao kiểu hội tụ với các thông số:

- Nguồn nuôi: 220V;

- Dải tần làm việc: Từ 20 kHz đến 28KHz (thay đổi được);

- Công suất: thay đổi từ 50W đến 150W;

1.6. 0,5 kg gốm áp điện không chì với các thông số: k_p~0,45, d₃₃~200 pC/N, Q_m~200, T_C ~300^oC;

Các sản phẩm gốm áp điện PZT và máy siêu âm công suất cao
 

2. Sản phẩm dạng II:

2.1. 01 bản vẽ và quy trình công nghệ chế tạo gốm áp điện cứng và mềm trên cơ sở PZT với bộ các thông số đầy đủ (đã được chấp nhận đơn đăng ký sáng chế);

2.2. 01 bản vẽ thiết kế và hướng dẫn sử dụng máy siêu âm công suất cao kiểu hội tụ;

2.3. 01 bản vẽ thiết kế và hướng dẫn sử dụng máy siêu âm công suất cao dùng tổng hợp vật liệu nano;

3. Sản phẩm dạng III:

3.1. 06 bài được đăng tại các tạp chí chuyên ngành trong danh mục SCI hoặc SCIE;

3.2. 04 bài được đăng trong các tạp chí chuyên ngành trong nước và quốc tế;

3.3. 06 bài được đăng trong Hội nghị khoa học cấp Quốc gia;

3.4. 01 chương sách chuyên khảo và 01 sách giáo trình;

3.5. 02 Sáng chế;

3.5. Tham gia đào tạo 15 thạc sỹ, 01 tiến sỹ;

II. Danh mục sản phẩm khoa học dự kiến ứng dụng, chuyển giao:

III. Về những đóng góp mới của nhiệm vụ:

Đề tài đã thực hiện trên cơ sở sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại, các phép đo điện môi - sắt điện - áp điện, các kiến thức tổng hợp về gốm áp điện, giải mã được thành phần, công nghệ của gốm nước ngoài, từ đó làm cơ sở chế tạo các hệ gốm mới, đặc biệt trên cơ sở PZT với các tính chất áp điện mong muốn dùng trong quân sự và siêu âm công suất cao;

Đã nghiên cứu trên cơ sở các hệ gốm không chì, xây dựng được quy trình công nghệ và chế tạo thành công các hệ vật liệu áp điện không chì với các tính chất điện của các vật liệu này được cải thiện nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong thực tế. Đây là hướng đi nhằm tìm kiếm các hệ vật liệu đầy tiềm năng để thay thế cho các vật liệu áp điện chứa chì trong tương lai;

Về mặt ứng dụng, đề tài tập trung vào các hướng nghiên cứu đang rất được quan tâm trên thế giới như: chế tạo các vật liệu áp điện có cấu trúc nano, ứng dụng vật liệu chế tạo trong thiết kế các biến tử siêu âm công suất cao và biến tử trong thủy âm. Kết hợp tính toán mô phỏng để xác lập các thông số thiết kế biến tử tối ưu từ đó triển khai chế tạo trên thực tế, sử dụng các thiết bị siêu âm dùng trong tổng hợp vật liệu và xử lý nước nuôi trồng thủy sản. Việc nghiên cứu khả năng xử lý khuẩn Vibrio spp. sử dụng siêu âm công suất sẽ là hướng mới trong việc ứng dụng công nghệ này để xử lý khuẩn nói chung và Vibrio spp. trong nuôi trồng thủy sản.

IV. Về hiệu quả về kinh tế và xã hội của nhiệm vụ:

Khẳng định trình độ công nghệ của Việt Nam trên cơ sở phối hợp liên ngành, đa lĩnh vực: công nghệ vật liệu gốm điện tử, công nghệ thủy âm, công nghệ cơ khí chế tạo máy và công nghệ điện tử - tự động hóa. Góp phần đào tạo nhân lực công nghệ – kỹ thuật cao, mang tính chất liên ngành phục vụ quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, trong đó đẩy mạnh việc phối hợp, hợp tác với Bộ Quốc phòng trong việc huy động nguồn lực tham gia xây dựng, phát triển công nghiệp quốc phòng, góp phần xứng đáng vào sự nghiệp xây dựng và bảo vệ tổ quốc trong tình hình mới.

Sản phẩm của đề tài được áp dụng sẽ tạo nên một nền tảng mới cho việc phát triển lĩnh vực gốm điện tử ứng dụng tại Việt Nam. Đây là cơ sở chủ động chế tạo được các thiết bị siêu âm công suất ứng dụng trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Chủ động chế tạo được các biến tử thủy âm có tần số, độ nhạy cần thiết phục vụ cho quốc phòng, an ninh biển đảo.

Các thành viên Hội đồng nghiệm thu đánh giá cao những đóng góp của Chủ nhiệm và Cơ quan chủ trì; phần báo cáo tổng kết và báo cáo tóm tắt có cấu trúc hợp lý, phù hợp với yêu cầu của một báo cáo khoa học; về số lượng, khối lượng, tiến độ và chất lượng sản phẩm đều đạt yêu cầu nhiệm vụ. Với kết quả đạt được, Hội đồng nhất trí nghiệm thu đề tài ở mức Đạtm đồng thời yêu cầu nhóm nghiên cứu tiếp thu các nội dung và chỉnh sửa cho phù hợp, hoàn thiện hồ sơ trình Bộ Khoa học và Công nghệ ra quyết định công nhận kết quả của nhiệm vụ.

(Nguồn: Vụ Khoa học Xã hội, Nhân văn và Tự nhiên)