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高性能弛豫铁电单晶1-3复合材料制备及超声换能器应用研究

张耀耀  周丹  王飞飞  刘大安  王威  罗豪甦  
【摘要】:具有复合钙钛矿结构的新型弛豫铁电单晶(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)-xPbTiO3(简称PMN-PT),其001切型在准同型相界(MPB)附近三方相一侧有着优异的压电性能:机电耦合系数k33高达0.92,压电常量d33高达2000pC/N,是一种理想的压电换能材料,性能明显优于目前广泛使用的Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)压电陶瓷材料(k33~0.75,d33~700pC/N)。但是,PMN-PT单晶的声阻抗较高(Z~37Mrayl),有较大的电容率(ε~5000),不易实现超声换能器的声匹配和电匹配,这些缺点限制了其在超声换能器领域中的应用。压电材料与环氧进行1-3型复合是高性能压电材料制备中的一种常用方法,在降低声阻抗和电阻率的同时,因为其改变了压电材料中压电相的振动模式(厚度伸缩振动模式→长度伸缩振动模式),有效提高了材料的厚度机电耦合系数kt。我们使用切割-填充法制备了PMN-PT单晶/环氧1-3型复合材料,并确定了其最优体积分数。最终制得的PMN-PT单晶/环氧1-3复合材料,kt~0.9,Z~19.5Mrayl,ε~2300,Qm~10,d33~1000pC/N,有效的克服了PMN-PT压电单晶的一些缺点,性能也显著优于市售的PZT陶瓷和PZT陶瓷/环氧复合材料。在此制备的基础上,我们应用PMT-PT单晶/环氧1-3压电复合材料设计制作了应用于工业无损探伤的双基元纵波超声换能器和单基元横波超声换能器,-6dB相对带宽分别达到了95%和112%,主要性能指标均优于目前商业化的PZT及其复合材料陶瓷超声换能器。

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