Công nghệ thông tin thủy âm và sonar hiện nay đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong cả lĩnh vực dân sự và quân sự. Tuy nhiên các nghiên cứu trong nước hiện nay còn rất hạn chế. Bên cạnh đó, các ứng dụng của vật liệu gốm áp điện loại có chì và không chì, cho việc phát triển các hệ linh kiện biến đổi điện/ âm còn chưa được nghiên cứu sâu. Việc làm chủ công nghệ sonar và thủy âm số, cũng như các họ vật liệu để chế tạo các bộ thu phát sóng âm là đặc biệt quan trọng trong an ninh quốc phòng, cũng như phát triển kinh tế biển.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Chủ nhiệm đề tài PGS.Tiến sĩ Nguyễn Văn Đức cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Điện tử - Viễn thông thực hiện nghiên cứu đề tài“Phát triển hệ định vị SONAR chủ động sử dụng vật liệu gốm và thiết bị thủy âm” với những mục tiêu như sau:

1. Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo vật liệu gốp áp điện nền chì và không chì.

2. Làm chủ công nghệ chế tạo các linh kiện chuyển đổi điện cơ dựa trên vật liệu gốm áp điện.

3. Làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị Transducer, Hydrophone ứng dụng trong kỹ thuật thủy âm và SONNAR trong nước.

4. Thiết kế chế tạo hệ thống định vị vật thể dưới nước (SONNAR) chủ động, ứng dụng Transducer dựa trên cơ sở vật liệu gốm áp điện có tần số làm việc ở khoảng 10 kHz – 60 kHz với cự ly phát hiện mục tiêu khoảng 100 m, sử dụng công nghệ quét hai chiều

5. Đào tạo nguồn nhân lực có trình độ cao về khoa học, công nghệ vật liệu và hệ thống thông tin thủy âm.

Mô hình truyền dẫn đa tia trong kênh truyền dưới nước

Tính chất áp điện của vật liệu được phát hiện vào năm 1880 bởi GS. Pierre Curie và GS. Jacques Curie khi nghiên cứu các mẫu khoáng vật. Kết quả nghiên cứu lần đầu tiên chỉ rằng khi lực tác dụng lên mẫu khoáng vật có thể làm xuất hiện điện tích trên bề mặt và kích thước của mẫu có thể bị biến dạng dưới tác dụng của điện trường ngoài. Hiệu ứng được khám phá từ lâu nhưng các ứng dụng vào thực tiễn của các vật liệu này không được quan tâm trong một thời gian dài cho đến Chiến tranh thế giới thứ I khi lần đầu tiên GS. Paul Langevin ứng dụng trong thiết bị dò siêu âm trên tàu ngầm dựa trên vật liệu gốm áp điện BaTiO3, tuy nhiên ứng dụng này không được quan tâm rộng rãi cả trong lĩnh vực dân sự lẫn quân sự. Thiết bị thương mại đầu tiên được đưa vào sản suất vào năm 1974 dựa trên vật liệu gốm áp điện là đầu ghi âm với vật liệu cơ bản được ứng dụng là BaTiO3. Năm 1958, vật liệu gốm áp điện Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) được chế tạo với các đặc trưng tính chất áp điện và sắt điện ưu việt đã mở ra kỷ nguyên mới về ứng dụng vật liệu gốm áp điện PZT cho các linh kiện điện tử với thị trường tỷ đô và tốc độ tăng trưởng khoảng 7%/năm.

Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của các vật liệu gốm áp điện chứa chì đang sử dụng trên các linh kiện điện tử thương mại là hàm lượng nguyên tố chì chứa trong hợp phần công thức hóa học là khá lớn (khoảng 60% khối lượng). Trong quá trình sản suất, sử dụng cũng như tái chế, nguyên tố chì có khả năng khuyếch tán vào môi trường nước, không khí và do đó làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường sinh thái. Bên cạnh đó, theo chuỗi thức ăn, con người có thể bị tác động trực tiếp hoặc gián tiếp khi hàm lượng nguyên tố chì tích lũy trong cơ thể vượt ngưỡng cho phép. Việc điều trị thải độc chì hết sức tốn kém và đòi hỏi thời gian điều trị lâu dài. Ngoài ra, nguyên tố chì có thể làm giảm sự phát triển trí thông minh của trẻ nhỏ, gây ảnh hưởng lớn tới thế hệ sau. Trong Chương 2 sẽ trình bày một cách tường minh hơn về sự phát triển của vật liệu PZT cũng như đề xuất một số hướng có thể tiếp tục sử dụng vật liệu gốm áp điện có chì bằng cách giảm hàm lượng pha tạp chì tới mức tối thiểu có thể trong điều kiện đặc trưng vật lý của vật liệu vấn phải đảm bảo để triển khai cho ứng dụng trên linh kiện.

Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm áp điện cũng đã và đang được triển khai ở nhiều cơ sở nghiên cứu trên cả nước, nhưng có thể tóm gọn lại ở một số cơ sở nghiên cứu chính đó là Khoa Vật lý, Đại học Huế, Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên và Đại học Bách khoa Hà Nội. Các hướng nghiên cứu tập trung chủ yếu phát triển vật liệu gốm áp điện có chì nền PZT, và thời gian gần đây có xu hướng dịch chuyển sang vật liệu gốm áp điện không chì nền BaTiO3 hay Bi0.5Na0.5TiO3. Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội mặc dù có sự bắt nhịp sau về hướng nghiên cứu này nhưng điểm mạnh là tập trung ngay vào hướng phát triển vật liệu gốm áp điện không chì định hướng cho các ứng dụng chuyển đổi điện cơ.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả sau:

- Đề tài đã thiết kế chế tạo thành công hệ thống thông tin thủy âm số sử dụng các phương pháp điều chế FSK/ASK/OFDM truyền tin ở khoảng cách tới 1.2 km trên vùng biển Nha Trang và Hạ Long. Tuy nhiên để đạt được hiệu suất cao, ngoài phương pháp thiết kế về lọc nhiễu và xử lý tín hiệu, nhóm đề tài phỉ sử dụng các linh kiện do nước ngoài chế tạo

- Đối với hệ linh kiện vật liệu loại có chì là sản phẩm của đề tài, hệ thống làm việc ổn định trên 300 m truyền tin. Để tăng hiệu suất bằng các sản phẩm nhập ngoại, nhóm nghiên cứu cần xây dựng các quy trình sản xuất theo chuẩn công nghiệp, cũng như quy chuẩn các đặc tuyến làm việc của linh kiện phụ hợp với việc thiết kế hệ thống. Các vấn đề này hoàn toàn có thể giải quyết được khi có sự hợp tác với doanh nghiệp.

- Đối với hệ linh kiện vật liệu loại không chì, để có thể áp dụng được thì cần có thêm nghiên cứu cải tiến về phẩm chất vật liệu, đặc biệt và vùng điện áp thấp và tần số làm việc hiệu quả của loại vật liệu này. Các kết quả ban đầu cho thấy loại vật liệu không chì có hiệu suất thấp hơn ở vùng điện áp thấp so với loại hệ vật liệu có chì.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21640/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

Đ.T.V (NASTIS)