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(xué)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(shí)驗(yàn)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(shí),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(shí),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(shí)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(jī)電耦合系數(shù)通常的大功率發(fā)射型壓電元件在強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)電耦合系數(shù)k3l或kn值高.pzt系統(tǒng)的壓電陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的壓電鐵電陶瓷材料,處于準(zhǔn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)膿诫s可同時(shí)獲得高q值和高kn值,并且還具有諧振頻率的時(shí)間,溫度穩(wěn)定性好,損耗小等特點(diǎn),可得到一種比較優(yōu)秀的大功率壓電陶瓷,引起了許多學(xué)者的注意4.本實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在靠近二元相圖底線的準(zhǔn)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(yàn)中通過調(diào)整zr/ti尋找相界點(diǎn),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(shí)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(jī)械品質(zhì)因數(shù)q提高.本試驗(yàn)選定基礎(chǔ)配方為pb1一srx(zrtil.)o3+ymo1%cafeos/2+zwt%pb304.l實(shí)驗(yàn)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(yàn)中調(diào)節(jié)zr/ti和cafeo5/2的含量.1.2試樣準(zhǔn)備試驗(yàn)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(xué)計(jì)量比混合,濕法球磨4h,干燥后壓塊,在ai203坩堝中預(yù)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?jǐn)?shù)5%pva(聚乙烯醇),30mpa下預(yù)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(jìn)行排塑,在1260.cl320燒結(jié),保溫2h,燒好的樣品機(jī)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(qiáng)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(yīng)的等效阻抗,通過查表和計(jì)算求出機(jī)電耦合系數(shù)k和機(jī)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(shí),調(diào)整a值進(jìn)行材料試驗(yàn).在a=0.520.53的范圍內(nèi)進(jìn)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(shí),當(dāng)zr含量從0.52增加到0.53時(shí),材料的介電常數(shù)由1047減小到984;機(jī)電耦合系數(shù)kn由0.429增大到0.508;機(jī)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?yàn)橄嘟缣幊煞值木w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(huì)同時(shí)共存_5j.在電場或外力的作用下發(fā)生形變時(shí),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(jī)電耦合系數(shù)能夠達(dá)到最大值.另外,由于四方相中自發(fā)極化有6個(gè)可能方向,而三方相的自發(fā)極化有8個(gè)可能方向,這樣在相界附近就有14個(gè)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(jī)械損耗變大,q減小.因此,該體系的準(zhǔn)同型相界點(diǎn)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(shí),體系的配方為pbl-xsrx(zro53tio.47)o3+ymo1%cafeos/2+zwt%pb3o4,試驗(yàn)中通過cafeo5,2進(jìn)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(shí)的材料性能.從表4數(shù)據(jù)可以看出:當(dāng)cafeo5/2含量從0.8mo1%增加到1.5mo1%時(shí),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(dāng)cafeo含量從0.8mo1%增加到1.5mo1%時(shí),介電損耗tan8先減小后增大,當(dāng)cafeo5,2含量為1mo1%時(shí)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(dāng)cafeo5/2含量為1.25mo1%時(shí)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(jìn)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(jià)態(tài)數(shù)低,取代使晶32格中出現(xiàn)超額負(fù)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(huì)使晶胞產(chǎn)生收縮變形,使材料中疇壁運(yùn)動(dòng)困難,導(dǎo)致介電損耗降低.從圖3可以看出,當(dāng)cafeo5/2含量從0.8mo1%增加到1.5mo1%時(shí),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(dāng)cafeo5/2含量為1.25mo1%時(shí)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(shí),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(shí)又兼顧了q值和tan8,這有利于將輸入的電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能,提高大功率材料的工作效率.3結(jié)論(1)當(dāng)zr含量從0.52增加到0.53時(shí),材料的相對介電常數(shù)由1047減小到984;機(jī)電耦合系數(shù)kp由0.429增大到0.508;機(jī)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(yàn)中確定該體系的準(zhǔn)同型相界點(diǎn)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(dāng)cafeo5,2的含量為1.25mo1%時(shí),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(shí)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(xiàn):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(shí)測柔j頃層換能器九元陣發(fā)送電壓和接收靈敏度響應(yīng)曲線4結(jié)論本文對柔順層換能器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)(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(bào),1994(3):24-27.36驗(yàn)證,得到了以下幾點(diǎn):(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(gè)諧振頻率點(diǎn),形成寬帶發(fā)送電壓和接收靈敏度響應(yīng);(2)其它參數(shù)不變隨著柔順層厚度的增加兩個(gè)諧振頻率均降低,兩個(gè)諧振頻率之間的響應(yīng)起伏變大,即柔順層的厚薄可以調(diào)整響應(yīng)的平坦度;(3)其它參數(shù)不變中間質(zhì)量增長時(shí)第一諧振頻率略降低,第二諧振頻率降低較快,兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)問的帶寬變窄,響應(yīng)更加平坦,即中間質(zhì)量對高頻諧振影響較大.參考文獻(xiàn):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(shí)驗(yàn)研究j.聲學(xué)與電子工程,1998(1):2326.3qingshanyao,leifbj中m.broadbandtonpilzunderwateracoustictransducersbasedonmultimodeoptimazationj.ieeetransactionsonu