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弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器

声学学报 2022年第6期47卷 757-764页

作者：梁家宁莫喜平柴勇刘永平中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 北京海洋声学装备工程技术研究中心北京100190

为了降低纵向换能器尺寸并提高发射带宽和发送电压响应,研究了一种弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器,换能器由[011]方向极化PIN-PMN-PT单晶和PZT-4压电陶瓷混合激励,利用多模态振动耦合的原理,通过单晶的32模式振动,可以灵活调整两... 详细信息

为了降低纵向换能器尺寸并提高发射带宽和发送电压响应,研究了一种弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器,换能器由[011]方向极化PIN-PMN-PT单晶和PZT-4压电陶瓷混合激励,利用多模态振动耦合的原理,通过单晶的32模式振动,可以灵活调整两种振子之间的驱动能力和刚度分配。首先通过四端网络法得到了换能器等效电路并计算了其谐振频率,然后利用有限元方法对换能器进行了仿真优化,最后制作了试验样机并进行了测试分析。换能器样机外径86 mm、长度80 mm,工作频带13~38 kHz,最大发送电压响应为144.9 dB,带内发送电压响应起伏小于6 dB,具有良好的宽带、小尺寸工作性能。

关键词：弛豫铁电单晶换能器压电陶瓷谐振频率工作频带混合激励多模态振动试验样机

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铅基弛豫铁电单晶的高性能化机理研究

科学通报 2022年第32期67卷 3872-3881页

作者：李飞西安交通大学电子科学与工程学院电子陶瓷与器件教育部重点实验室西安710049 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室西安710049

弛豫铁电单晶具有优异的介电、压电、电光以及热释电性能,是电子科学技术领域重要的功能电介质材料,我国在医疗超声诊断、水声换能器、精密驱动、电光调制等领域对其有重大需求.自20世纪90年代至今,弛豫铁电单晶一直是铁电压电材料领域... 详细信息

弛豫铁电单晶具有优异的介电、压电、电光以及热释电性能,是电子科学技术领域重要的功能电介质材料,我国在医疗超声诊断、水声换能器、精密驱动、电光调制等领域对其有重大需求.自20世纪90年代至今,弛豫铁电单晶一直是铁电压电材料领域的研究重点,为诸多压电器件,尤其是为医疗超声探头和水声换能器的性能提升带来了一次重大机遇.本文简要介绍弛豫铁电单晶的发展历史,并着重讨论本课题组近些年在弛豫铁电单晶高压电效应的起源、单晶铁电畴结构调控、单晶性能优化提升、新型弛豫铁电单晶器件开发方面的研究进展.

关键词：弛豫铁电单晶压电效应铁电畴压电器件

弛豫铁电单晶水声换能器性能优化与声源级提升研究

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弛豫铁电单晶水声换能器性能优化与声源级提升研究

作者：宋丕麒哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

三方相铅基弛豫铁电单晶如Pb(ZnNb)O-Pb Ti O和Pb(MgNb)O-Pb Ti O具有优异的压电性能和应变能力,是新一代高性能水声发射换能器的候选驱动材料。然而,弛豫铁电单晶较低的矫顽场导致其容易在高交流驱动场下发生退极化,不利于弛豫铁电单... 详细信息

三方相铅基弛豫铁电单晶如Pb(ZnNb)O-Pb Ti O和Pb(MgNb)O-Pb Ti O具有优异的压电性能和应变能力,是新一代高性能水声发射换能器的候选驱动材料。然而,弛豫铁电单晶较低的矫顽场导致其容易在高交流驱动场下发生退极化,不利于弛豫铁电单晶换能器大功率应用,影响换能器的性能与稳定性。论文根据弛豫铁电单晶畴结构和各向异性的特点,提出利用预应力调控弛豫铁电单晶性能的方法,采用理论研究与实验验证相结合的方式,研究单轴压应力对[011]极化d模式的三方相PZN-5.5%PT弛豫铁电单晶的退极化和相变行为的影响机制,量化单轴压应力对材料性能参数的影响规律,建立针对弛豫铁电单晶水声发射换能器的预应力优化机制,提高换能器的性能与稳定性。研究结果表明,在[100]方向上对弛豫铁电单晶晶体施加适当的压应力,能够抑制弛豫铁电单晶退极化现象的产生,从而能够使弛豫铁电单晶承受更高的交流驱动场。结果进一步表明,当施加最佳预应力时,可以在不使用直流偏置、不采用更多晶体、不改变换能器结构的前提下,使弛豫铁电单晶水声发射换能器的声源级增大11.2d B,并且维持其发射电压响应不降低,实现了弛豫铁电单晶水声发射换能器的性能优化与声源级提升。

关键词：弛豫铁电单晶退极化水声换能器预应力性能优化

弛豫铁电单晶PZN-7PT结构与性能优化研究

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弛豫铁电单晶PZN-7PT结构与性能优化研究

作者：丛天奕吉林大学

学位级别：硕士

弛豫铁电单晶0.93Pb(ZnNb)O-0.07PbTiO因其具有优异的压电性能,在传感器、换能器等方面具有广泛的应用前景,成为压电领域研究的热点材料,受到各国研究人员的广泛关注。但受其生长和极化技术限制导致每一块压电单晶的矫顽场与压电系数皆... 详细信息

弛豫铁电单晶0.93Pb(ZnNb)O-0.07PbTiO因其具有优异的压电性能,在传感器、换能器等方面具有广泛的应用前景,成为压电领域研究的热点材料,受到各国研究人员的广泛关注。但受其生长和极化技术限制导致每一块压电单晶的矫顽场与压电系数皆不相同,其矫顽场大小、三方相-四方相的相变温度与居里温度等是影响其实际应用的主要因素。所以对弛豫铁电单晶PZN-PT进行性能优化与结构研究具有重要的科学意义和应用前景。本文采用高温溶液法成功制备出了PZN-7PT晶体。通过多次退火、极化对PZN-7PT晶体进行了性能优化处理。对经过性能优化处理的样品进行了铁电性能、介电性能与压电性能的研究,发现其矫顽场E比未经优化处理的样品提高了28%;其(001)方向的压电系数d提高了34%;其三方相-四方相的相变温度由108℃提高至139℃。通过拟合不同测试频率下的弛豫度,发现经过优化处理的样品具有更优异的弛豫性,结合单晶XRD测试结果证明了所制备的样品具有很高的结晶度。在对优化处理的PZN-7PT样品进行的极化过程原位拉曼光谱研究中,首次发现其拉曼光谱信号强度与极化电场存在依赖关系的现象。在极化电场小于双倍矫顽场时,拉曼光谱信号强度随极化电场的增大而减小;在极化电场大于双倍矫顽场时,拉曼光谱信号强度随极化电场的增大而增大,最终不再变化。在PZN-7PT晶体的73cm,137cm,177cm,268cm,419cm,596cm,783cm等七个拉曼峰中,代表钙钛矿BO结构短程排列有序程度的137cm与268cm两个拉曼峰先红移再蓝移,说明在极化电场小于两倍矫顽场时,该结构的短程对称性随着电场增加而减少,在极化电场大于两倍矫顽场时,该结构的短程对称性随着电场强度增加而增加,最终保持不变。上述研究结果说明,通过对PZN-7PT晶体进行性能优化处理,能够改变其铁电性能、介电性能与压电性能等性质。尤其PZN-7PT的拉曼光谱信号强度与极化电场大小存在依赖关系这一特殊现象的发现,为深入了解PZN-7PT晶体的性质、探索其晶体制备与应用具有重要参考意义。

关键词：弛豫铁电单晶 PZN-PT晶体 PZN-7PT晶体极化矫顽场电滞回线拉曼光谱

弛豫铁电单晶PMN-PT的压电感知特性及钢梁中的振动监测应用研究

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弛豫铁电单晶PMN-PT的压电感知特性及钢梁中的振动监测应用研究

作者：张越重庆交通大学

学位级别：硕士

近年来,为实现第二个百年奋斗目标,全面实现中华民族的伟大复兴,我国逐步加快了基础设施建设的步伐,并随着科技的不断发展,基础设施建设日趋走向大型化、复杂化和智能化,各种超高层建筑、大跨度桥梁、地下隧道不断涌现。然而,工程结构... 详细信息

近年来,为实现第二个百年奋斗目标,全面实现中华民族的伟大复兴,我国逐步加快了基础设施建设的步伐,并随着科技的不断发展,基础设施建设日趋走向大型化、复杂化和智能化,各种超高层建筑、大跨度桥梁、地下隧道不断涌现。然而,工程结构在实际环境服役期间,面临着诸如材料老化、突发灾害及长期荷载作用等问题,对结构的安全、可靠与耐久性造成了巨大威胁。因此,为减少结构突然失效带来的经济损失,各国学者从结构模态、超声导波、数字孪生等方面对结构的健康状态进行了实时监测。而已有监测与评估方法人工依赖性强、智能化程度低,仍然存在诸多理论与技术难题,难以满足海量桥梁监管在安全、效率、成本等方面的需求。针对当前结构监测与评估方面的痛点,本文基于铌镁酸铅-钛酸铅((Pb MgNbO)1-x:(Pb Ti O)x,PMN-PT)弛豫铁电单晶高压电系数、高机电耦合系数、高介电常数、低损耗的特点,设计并制作了一款粘贴式压电传感器,并采用MTS万能试验机对传感器的传感性能进行了表征试验,最后将传感器粘贴于钢梁表面通过试验和有限元模拟相结合的方法对弛豫铁电单晶应用于桥梁振动健康监测的可行性与有效性进行了验证。本文主要工作如下:(1)基于压电材料的压电效应,采用三维层合理论,建立了压电传感器与基体结构耦合的力学模型,研究了主体结构与传感器之间的应力传递,并借助COMSOL有限元仿真软件,建立了矩形钢板与传感器的耦合模型,分析了粘贴层对传感器性能的影响,同时对传感器模拟灵敏度与频响特性进行了标定。结果表明,随着粘贴层厚度的增加,压电传感器灵敏度逐渐减小,因此粘贴层对于传感器性能的影响不可忽略。(2)采用MTS万能试验机对粘贴PMN-PT压电传感器矩形钢板进行了固定频率与扫频两种模式加载试验,以金属应变片,标准PVDF压电薄膜作为对照组,研究了传感器灵敏度,频响特性等性能参数,并与有限元模拟结果进行了对比,结果表明,在0-1000Hz频率范围内,传感器试验响应能够较好反映结构应力状态,且与模拟响应曲线一致,不存在迟滞,但试验灵敏度略小于模拟值。(3)将六片传感器粘贴于钢梁结构表面,采用LETRY液压伺服万能试验机与落锤式冲击试验机分别施加正态随机荷载与冲击荷载,研究了随机振动、冲击振动下钢梁的应力状态,同时利用COMSOL有限元分析软件,对桥梁结构的随机振动与冲击振动进行有限元仿真建模分析,将试验结果与有限元仿真结果进行对比,结果表明,PMN-PT压电传感器能够实时对外界激励作出响应,并具有较高的灵敏度和准确性。验证了PMN-PT压电传感器在监测实际工程结构健康状态的可行性。

关键词：结构健康监测弛豫铁电单晶压电被动监测桥梁振动 COMSOL

弛豫铁电单晶PZNT93/7的生长与电性能研究

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无机材料学报 2003年第2期18卷 264-268页

作者：徐家跃童健侍敏莉陆宝亮张爱琼范世骥中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050

以50mol％PbO为助溶剂,采用溶剂-坩埚下降法生长了Pb[(Zn1/3Nb2/3)0.93Ti0.07]O3(PZNT93/7)弛豫铁电单晶.为了控制成核,我们在坩埚底部设计了一个通气装置以诱导自发成核.晶体在Pt坩埚中生长,坩埚尺寸为40mm×40mm×300mm,下降速率为0.5... 详细信息

以50mol％PbO为助溶剂,采用溶剂-坩埚下降法生长了Pb[(Zn1/3Nb2/3)0.93Ti0.07]O3(PZNT93/7)弛豫铁电单晶.为了控制成核,我们在坩埚底部设计了一个通气装置以诱导自发成核.晶体在Pt坩埚中生长,坩埚尺寸为40mm×40mm×300mm,下降速率为0.5mm/h,通气流量为1～1.6L/min.所得晶体最大尺寸达φ30mm×25mm.该晶体具有明显的结晶学形貌.X射线定向表明,其主要显露面为(001).由于气流不稳定以及质量输运较慢,晶体内部容易形成一些红色PbO包裹.介电和铁电性能研究表明,该晶体的性能能够满足新型医疗诊断设备对阵列换能器的要求.

关键词： PZNT 弛豫铁电单晶甘埚下降法晶体生长 PbO助溶剂

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弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究

声学学报 2014年第2期39卷 243-250页

作者：尹义龙李俊宝邢建新吕可佳中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100190

研制了一种弛豫铁电单晶(PMNT)二维矢量水听器,矢量通道和声压通道分别由两个正交压电单晶复合弯曲梁振子和PZT-5压电陶瓷圆管组成。基于弹性力学理论和水下质点振速测量原理对弯曲梁矢量水听器进行建模,推导给出了接收电压灵敏度表达式... 详细信息

研制了一种弛豫铁电单晶(PMNT)二维矢量水听器,矢量通道和声压通道分别由两个正交压电单晶复合弯曲梁振子和PZT-5压电陶瓷圆管组成。基于弹性力学理论和水下质点振速测量原理对弯曲梁矢量水听器进行建模,推导给出了接收电压灵敏度表达式,分析了弯曲梁应力分布对矢量水听器接收性能的影响以及PMNT压电单晶材料与弯曲梁结构的匹配问题。在理论分析的基础上,研制了PMNT压电单晶和PZT、-5压电陶瓷矢量水听器样品并进行测试。测试结果表明:压电单晶矢量水听器与压电陶瓷矢量水听器相比,接收电压灵敏度提高11 dB,自噪声降低3 dB,测试结果与理论结果相符。

关键词：矢量水听器弛豫铁电单晶弯曲梁电压灵敏度压电陶瓷压电单晶弹性力学理论接收性能

弛豫铁电单晶PZNT91/9的生长与畴结构研究

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压电与声光 2003年第4期25卷 315-317页

作者：徐家跃范世骥中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050

采用熔剂-坩埚下降法生长了91%Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-9%PbTiO3(PZNT91/9)(摩尔分数)弛豫铁电单晶,PbO助熔剂摩尔分数控制在50%左右。所得晶体被PbO助熔剂包裹,将其浸泡在热HNO3中1～2天即可除去PbO。晶体呈浅黄色,具有明显的结晶学生长面。... 详细信息

采用熔剂-坩埚下降法生长了91%Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-9%PbTiO3(PZNT91/9)(摩尔分数)弛豫铁电单晶,PbO助熔剂摩尔分数控制在50%左右。所得晶体被PbO助熔剂包裹,将其浸泡在热HNO3中1～2天即可除去PbO。晶体呈浅黄色,具有明显的结晶学生长面。晶体沿(001)面切出数片,晶片质量明显好于通气Bridgman法生长的PZNT单晶。偏光显微镜可观察到71°、90°、180°畴或微畴区。晶片极化条件为:垂直于C面施加1kV/mm的电场并保持10～15min。

关键词： PZNT 弛豫铁电单晶坩埚下降法晶体生长 PbO助溶剂

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基于弛豫铁电单晶的宽带水声换能器研究

基于弛豫铁电单晶的宽带水声换能器研究

作者：叶瑞东哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

水声换能器是声呐设备发射与接收信号的窗口,其优劣将影响声呐系统的性能。大幅减小声呐设备的体积与重量能够极大地改善平台机动性,并增加系统的有效载荷能力。同时,为提高探测精度及环境适应性,要求声呐系统具有超宽的频段覆盖。因此... 详细信息

水声换能器是声呐设备发射与接收信号的窗口,其优劣将影响声呐系统的性能。大幅减小声呐设备的体积与重量能够极大地改善平台机动性,并增加系统的有效载荷能力。同时,为提高探测精度及环境适应性,要求声呐系统具有超宽的频段覆盖。因此具有小体积、大带宽、高性能的水声换能器是提高声呐系统效能的重要保障。弛豫铁电单晶突破了传统压电陶瓷在弹性刚度系数、机电耦合系数及能量密度方面的局限,具有大幅减小水声换能器的体积重量、扩展频带宽度、提升声源级的潜力。然而,直接将压电陶瓷替换为弛豫铁电单晶,无法实现换能器带宽的大幅度提升。因此要充分发挥单晶的性能优势,必须研究单晶水声换能器的带宽扩展机理,具体研究内容如下。首先,根据Stanfield准则,揭示水声换能器有效机电耦合系数k与机械品质因数Q的匹配关系,及带宽与有效机电耦合系数的关系,探究低机械品质因数的水声换能器宽带实现机理,确定前质量块材料属性。其次,建立单晶32横向伸缩振动模态驱动的复合棒换能器的等效电路模型,表征换能器的水中导纳、发送电压响应。再次,探究单晶复合棒换能器的前质量块、后质量块的材料参数、结构参数以及单晶振子数目对换能器机械品质因数的影响,并优化单晶复合棒换能器的机械品质因数。进一步地,将32横向伸缩振动模态、前质量块弯曲模态、横向共振正交波束(TROB)模态相耦合,设计多模态耦合的超宽带换能器。最后,为验证带宽扩展机理,制备基于弛豫铁电单晶32横向伸缩模态驱动的复合棒换能器样机,测试水中电导与发送电压响应的性能。研究结果表明,根据Stansfield准则得到换能器的有效机电耦合系数与机械品质因数的最优匹配关系为Q =1.2(1-k)/k 。单晶复合棒换能器的等效电路模型能够准确的表征换能器的有效机电耦合系数、机械品质因数及带宽的关系。研究表明密度小、杨氏模量大的前质量块材料能够有效降低换能器机械品质因数。优化后的单晶复合棒换能器的机械品质因数可降低至1.85,带宽达到66%(Stansfield准则)。32横向伸缩振动模态、前质量块弯曲模态、TROB模态耦合的单晶复合棒换能器,实现-3d B发送电压响应带宽覆盖17.5～82.6k Hz。最终,单晶32横向伸缩振动模态驱动的复合棒换能器样机的Stansfield准则下带宽为53%,且发送电压响应实现了在14～31k Hz的频率内波动小于3d B的宽带发射。单晶32横向伸缩振动模态、前质量块弯曲模态、单晶TROB三种模态耦合单晶复合棒换能器样机实现了在16.5～73.0k Hz范围内响应波动不超过3.2d B的宽带发射,与理论结果吻合良好。因此,本文带宽扩展机理对宽带单晶复合棒换能器的设计具有指导意义。

关键词：弛豫铁电单晶宽带机械品质因数有效机电耦合系数多模耦合