二元系大功率發(fā)射型壓電材料性能研究.doc

二元系大功率發(fā)射型壓電材料性能研究2011年第2期聲學與電子工程總第1o2期二元系大功率發(fā)射型壓電材料性能研究金莉莉羅濤汪躍群(1第七一五研究所,杭州,310012;2富陽市人才與信息中心,富陽,311400)摘要實驗采用pbl一sr(zrti1一)o3+ymo1%cafeo5/2+zwt%pb3o4系材料,通過對材料壓電,介電性能測試,探討了zr含量和cafeo5/2的含量變化對于材料性能的影響,zr含量為0.53時,材料的耦合系數(shù)k.最大為o.508,et33/;0=984,qm=975.材料的燒結(jié)溫度定存1300c左右.cafeo5/2的含量為1.25時,壓電陶瓷的介電和壓電性能良好,獲得了較高的k值和d同時又兼顧了品質(zhì)因數(shù)q值和介質(zhì)損耗tan8,材料的性能參數(shù)為:e33/c0=989,tan6%=o.221,d33=241pc/n,6=116.422khz,kp=0.522,q=1095.關(guān)鍵詞二元系;大功率發(fā)射;壓電陶瓷;介電常數(shù);機電耦合系數(shù)通常的大功率發(fā)射型壓電元件在強場下容易發(fā)熱,并在壓力作用下容易開裂和退極化,這就要求其在強場下的介質(zhì)損耗小,q值大,壓電性能不易衰退.而對于大功率發(fā)射型換能器或大振幅超聲換能器,首先要求材料的強場介質(zhì)損耗tan8盡可能降低到最小,并要求材料的q值大,否則材料的介電損耗和機械內(nèi)耗將使換能器發(fā)熱而引起溫度升高,從而影響換能器的效率,功率極限j;為了提高這種換能器的效率,還要求材料的壓電常數(shù)d31或d33和機電耦合系數(shù)k3l或kn值高.pzt系統(tǒng)的壓電陶瓷是目前應用最廣泛的壓電鐵電陶瓷材料,處于準同型相界附近的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷,具有良好的介電和壓電性能,進行適當?shù)膿诫s可同時獲得高q值和高kn值,并且還具有諧振頻率的時間,溫度穩(wěn)定性好,損耗小等特點,可得到一種比較優(yōu)秀的大功率壓電陶瓷,引起了許多學者的注意4.本實驗采用二元系鋯鈦酸鉛pzt系統(tǒng),為了獲得綜合性能良好的大功率陶瓷材料,在配方設計時應在靠近二元相圖底線的準同型相界附近選擇配方以確保高d33,kp,q和工藝穩(wěn)定性,試驗中通過調(diào)整zr/ti尋找相界點,添加穩(wěn)定劑sr,來改善壓電陶瓷的綜合性能,降低燒結(jié)溫度,提高頻率穩(wěn)定性;同時通過添加少量cafeo,用以提高材料的性能,選擇ca2摻雜可以增加瓷體的致密度使頻率溫度穩(wěn)定性提高,fe屬于硬性摻雜,使介電損耗降低,機械品質(zhì)因數(shù)q提高.本試驗選定基礎配方為pb1一srx(zrtil.)o3+ymo1%cafeos/2+zwt%pb304.l實驗1.1材料組成30材料基本組成為:pblxsr(zrati1一)03+ymo1%cafeo5/2+zwt%pb3o4,其中0.45<a<0.55,x<0.1,0<y<2,0.1<l.為了獲得性能較好的壓電材料,試驗中調(diào)節(jié)zr/ti和cafeo5/2的含量.1.2試樣準備試驗中所選用的原料為pb3o4,tio2,zro2,srco3,caco3,fe2o3.試樣采用普通壓電陶瓷工藝制備.將氧化物粉料按化學計量比混合,濕法球磨4h,干燥后壓塊,在ai203坩堝中預燒2h,溫度為800900,合成后的粉末球磨6h,烘干過篩后添加質(zhì)量分數(shù)5%pva(聚乙烯醇),30mpa下預壓,放置12h后砸碎過篩,11mpa下加壓成型,制成25mmf2.33.0)mm的坯件,800下保溫2h進行排塑,在1260.cl320燒結(jié),保溫2h,燒好的樣品機加工成20mm1mm的陶瓷片,再經(jīng)超聲清洗后被覆銀電極,燒銀溫度800,最后在110120的硅油中極化15min,極化場強為3400v/mm3600v/mm,極化好的樣品靜置24h后測量.1.3測試根據(jù)傳輸線路法測量諧振頻率,反諧振頻率以及相應的等效阻抗,通過查表和計算求出機電耦合系數(shù)k和機械品質(zhì)因數(shù)q.電容c和介質(zhì)損耗tan用automaticlcrmeter4294測量,由電容算出相對介電常數(shù)et33/e.2結(jié)果與分析2.1不同zr/ti對材料性能的影響材料的基方組成為pb1.sr(zrati1.)o3+ymo1%cafeo+zwt%pb3o4,在y=1.0時,調(diào)整a值進行材料試驗.在a=0.520.53的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié),其材料配方中的參數(shù)和性能參數(shù)如表1和表2金莉莉等:二元系大功率發(fā)射型壓電材料性能研究所示.不同zr/ti對于材料性能的影響如圖1所示.從表2和圖1可以看出,在燒結(jié)溫度為13l0時,當zr含量從0.52增加到0.53時,材料的介電常數(shù)由1047減小到984;機電耦合系數(shù)kn由0.429增大到0.508;機械品質(zhì)因數(shù)q由1187減小到975;諧振頻率由118.66khz減4,n1l5.973khz.這主要是因為相界處成分的晶體結(jié)構(gòu)屬于四方三方兩相過渡的特殊情況,四方和三方兩種結(jié)構(gòu)會同時共存_5j.在電場或外力的作用下發(fā)生形變時,晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生相變,即從四方晶相轉(zhuǎn)變到三方晶相或從三方晶相轉(zhuǎn)變到四方晶相,有利于鋯離子和氧離子之間的相對位移.所以在晶相界附近,機電耦合系數(shù)能夠達到最大值.另外,由于四方相中自發(fā)極化有6個可能方向,而三方相的自發(fā)極化有8個可能方向,這樣在相界附近就有14個可能的極化方向,這使得極化過程中電疇易于轉(zhuǎn)向.由于陶瓷內(nèi)部存在內(nèi)摩擦,較多的白發(fā)極化轉(zhuǎn)向,將使機械損耗變大,q減小.因此,該體系的準同型相界點在zr含量為0.53附近.表2壓電性能參數(shù)表1材料配方參數(shù)編號azr1.a.tiycafeos/21o.520.481o20.5250.4751.o30.530.471.0編號燒結(jié)溫度gt33/0tans%f#khzfjkhzri/qkpq12709880.222119.035127-823i390.40811571l31ol0470239l1866128.412.870429118712709860.216l17.832128.1833-30.44210552131010200.223116732129.6252.37l0.4881137l2709590.226117.04128.573.250.465974313109840.23115973130.0292.8830.508975bi,-jtil一jli一一_卜lli.,illlfll目自斛掌0jl墓塒-.t一/lliiljin叫0琦一舶0=r入l,iili圖1不同zr含量對材料性能的影響從圖3還可看出,試樣在1310下燒結(jié)的壓電性能1t33/13o,kd和q值均較1270要大,所以此體系的燒結(jié)溫度定在1300左右.2.2不同cafeo.含量對材料性能的影響確定了zr含量為0.53時,體系的配方為pbl-xsrx(zro53tio.47)o3+ymo1%cafeos/2+zwt%pb3o4,試驗中通過cafeo5,2進一步改善材料的性能.在y=0.81.5的范圍內(nèi)調(diào)整y值,其材料配方參數(shù)和性能參數(shù)如表3和表4所示.表3材料配方參數(shù)編號y-cafeosj2a_zr1一a.ti10.80.530.4721o0.530.4731.25o.530.4741.5o0.530.473l金莉莉等:二元系大功率發(fā)射型壓電材料性能研究表4壓電性能參數(shù)編號燒結(jié)溫度/ct33,0tan8%f/khz1khzrl/qqmd33/pcn.1l3009850.24116.0461296592.654o5o1l00721o213009790.17116_39l130.3632.3940.50610892243i300989o.22ili6.422i31.4852-20.522109524i4l3009880.2371l6.786131.6542305191108227表4數(shù)據(jù)列出了在1300下燒結(jié),cafeo5/2的含量從0.8mo1%增加到1.5mo1%時的材料性能.從表4數(shù)據(jù)可以看出:當cafeo5/2含量從0.8mo1%增加到1.5mo1%時,介電常數(shù)變化平緩,趨于穩(wěn)定.cafeo5/2含量的變化對材料介電性能的影響如圖2,圖3所示.檔蝣2,5瑚蠹2齲謄翻琊一甜o205(地盤鼴圖2不同cafeo5,2含量對tan6和d33的影響圖3不同cafeo5/2含量對kd和q的影響從圖2可以看出,當cafeo含量從0.8mo1%增加到1.5mo1%時,介電損耗tan8先減小后增大,當cafeo5,2含量為1mo1%時取得最小值0.17;而隨著cafeo5/2含量增加,d33是先增大后減小的,當cafeo5/2含量為1.25mo1%時取得最大值241pc/n.由離子半徑和電中性規(guī)則可以知道:fe2o進入晶格占據(jù)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的b位,是以fe和fe2.的形式取代zr或ti(fe的半徑為0.064nm,fe的半徑為0.074nm,zr的半徑為0.079nm,ti的半徑為0.068nm),由于fe和fe比原有的金屬離子(zr和ti)的價態(tài)數(shù)低,取代使晶32格中出現(xiàn)超額負電荷,為保持晶胞的電中性,需產(chǎn)生氧空位.氧空位出現(xiàn)后,會使晶胞產(chǎn)生收縮變形,使材料中疇壁運動困難,導致介電損耗降低.從圖3可以看出,當cafeo5/2含量從0.8mo1%增加到1.5mo1%時,品質(zhì)因數(shù)q從1007逐漸增加到1108;耦合系數(shù)kd值先增大后減小,當cafeo5/2含量為1.25mo1%時取得最大值0.522,這是由于cafeo5/2的加入使得體系的晶相界發(fā)生了改變.綜合上述可知,cafeo5/2含量為1.25mo1%時,壓電陶瓷的介電和壓電性能良好,獲得了較高的k.值和d33,同時又兼顧了q值和tan8,這有利于將輸入的電能轉(zhuǎn)變成機械能,提高大功率材料的工作效率.3結(jié)論(1)當zr含量從0.52增加到0.53時,材料的相對介電常數(shù)由1047減小到984;機電耦合系數(shù)kp由0.429增大到0.508;機械品質(zhì)因數(shù)q由1187減小到975;諧振頻率,;由118.66khz減小到115.973khz,試驗中確定該體系的準同型相界點在zr含量為0.53附近.(2)試樣在13l0下燒結(jié)的性能較1270要好,所以此體系的燒結(jié)溫度定在l300左右.(3)當cafeo5,2的含量為1.25mo1%時,確定體系配方為pb1一srx(zr0.53ti047)03+1.25mo1%cafeo5/2+zwt%pb304,壓電陶瓷的介電和壓電性能良好,獲得了較高的k.值和(133,同時又兼顧了q值和tan8,材料的性能參數(shù)為:133/80=989,tans=o.221%,d33=241pc/n,.=116.422khz,kd=o.522,qm=1095.參考文獻:1takahashis,sasakiyhiroses,eta1.stabilityofpbzro3一pbtio3?pb(mn1/3sb2/3)03piezoelectriccetamicsundervibrationlevelchange.jpnjapplphys,1995(34):53285331.(下轉(zhuǎn)第36頁)李建成等:雙諧振柔順層換能器起伏約為7.5db.;2325i2210:-.一?圖lo柔順層換能器結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位mm)170165160一曲155150l45l401601651701753180185190195200_37;i廠,/=/f12l5l82l2427303336f(khz)/一廠,一15l7192123252729313335f(khz)圖l1實測柔j頃層換能器九元陣發(fā)送電壓和接收靈敏度響應曲線4結(jié)論本文對柔順層換能器進行了理論分析和實驗(上接第32頁)2ygao,y-hchen,jryu.euandybsubstituenteffectonthepropertiesofpb(zr052ti0.48)03一pb(mnl/3sb2/3)o3ceramics:developmentofanewhigh-powerpiezoelectricwithenhancedvibrationalvelocityj.jpnjapplphys2001,40(2a):687-693.3顧威,桂治輪,李龍土,等.高qm,低損耗壓電陶瓷材料的研究【j_硅酸鹽通報,1994(3):24-27.36驗證,得到了以下幾點:(1)在傳統(tǒng)的縱振tonpilz換能器上每增加一段質(zhì)量和順性材料后即可增加一個諧振頻率點,形成寬帶發(fā)送電壓和接收靈敏度響應;(2)其它參數(shù)不變隨著柔順層厚度的增加兩個諧振頻率均降低,兩個諧振頻率之間的響應起伏變大,即柔順層的厚薄可以調(diào)整響應的平坦度;(3)其它參數(shù)不變中間質(zhì)量增長時第一諧振頻率略降低,第二諧振頻率降低較快,兩個諧振頻率點問的帶寬變窄,響應更加平坦,即中間質(zhì)量對高頻諧振影響較大.參考文獻:1fujiiishimurah,yamamotpm,eta1.widebandlangevintypetransducerwithabendingdiskontheradiationsurfacec.udt2001:underseadefencetechnology,2001:421424.2俞宏沛,李繼增,林家旺,等.采用匹配層的超寬帶換能器實驗研究j.聲學與電子工程,1998(1):2326.3qingshanyao,leifbj中m.broadbandtonpilzunderwateracoustictransducersbasedonmultimodeoptimazationj.ieeetransactionsonu