应用于大功率水声换能器的PMS-PZT压电陶瓷的强场效应研究

发布时间：2020-04-08 13:43

【摘要】：随着海洋现代化技术的发展,发展性能更为优异的水声换能器意义非常重大。其中,大功率压电陶瓷一直以来备受关注,常用作水声换能器用压电陶瓷的关键材料。为了满足现代换能器的需求、降低强场损耗和强场非线性,运用多种方法抑制不可逆畴壁运动,同时保持良好的压电性能显得至关重要。因此针对这个问题,本文做的主要工作和结果如下:本文首先研究了钠离子取代以及稀土元素和铁离子共掺杂对Pb_(0.98)Sr_(0.02)(Mn_(1/3)Sb_(2/3))_(0.05)Zr_(0.48)Ti_(0.47)O_3(PMS-PZT)压电陶瓷的强场性能的影响。其中,少量钠离子取代会降低介电损耗tanδ,提高机械品质因数Q_m和压电性能。而当钠离子含量过高时,会使得不可逆畴壁运动加强,从而增加强场非线性和强场损耗。最终在烧结温度为1250℃,钠离子取代量为x=0.5时取得最优的综合性能:tanδ=0.40%,Q_m=1790,ε_r=1443,d_(33)=376 pC/N,K_p=0.63,瑞利系数α_ε=0.48×10~(-3) m/V,500 V/mm处的强场介电损耗为2.05%。当稀土元素和少量Fe_2O_3掺杂共掺杂时,损耗性能得到改善,而当Fe_2O_3掺杂量过高时,晶粒尺寸增大,气孔数量增多,使得损耗性能恶化,同时不可逆畴壁翻转大大增加,增加了强场介电损耗。最终在烧结温度为1150℃,铁离子掺杂量为x=0.15时取得最优的综合性能:tanδ=0.29%,Q_m=1500,ε_r=1055,d_(33)=360pC/N,K_p=0.61,瑞利系数α_ε=0.60*10~(-3) m/V,500 V/mm处的强场介电损耗为2.76%。本文其次研究了NaCl-KCl熔盐体系下CeO_2的掺杂对PMS-PZT压电陶瓷的影响。通过熔盐法合成团聚少、分散性好的纳米级粉体。掺杂一定量的CeO_2会减小晶粒尺寸,提高烧结致密度,有助于提高强场性能,减小强场介电损耗和瑞利系数。最终在CeO_2掺杂量为x=1处取得最佳的综合性能:tanδ=0.43%,Q_m=1272,ε_r=1364,d_(33)=328pC/N,K_p=0.58,瑞利系数α_ε=0.60×10~(-3) m/V,500 V/mm处的强场介电损耗为3.13%。本文最后研究了不同气氛下退火对CeO_2掺杂PMS-PZT压电陶瓷性能的影响。通过在氧气和氮气下退火,改变CeO_2的掺杂含量,使得晶粒变小,致密度提高,并降低介电损耗tanδ和提高机械品质因数Q_m。氮气退火相比于氧气退火更能有利于瑞利系数和强场介电损耗的下降,但是却恶化了材料的压电性能。最终在氧气气氛下退火,CeO_2掺杂量x=1处得到最好的综合性能:tanδ=0.43%,Q_m=1307,ε_r=1277,d_(33)=447 pC/N,K_p=0.54,瑞利系数α_ε=0.53×10~(-3) m/V,500 V/mm处的强场介电损耗为4.04%。达到预期目标。
【图文】：

换能器,工作原理

信号会很快衰减，而声波能够在水下传播很远的距离而不衰减，因此水声设备被用于水下的最高效和最有前景的信号转化设备，其中，水声换能器是其最重要的，能够将声音信号和电信号进行相互转化，以高效地处理信息[1]。电换能器是应用最广泛的一种水声换能器，其性能主要依赖于其接收和发射信号能元件压电陶瓷，其借助正压电效应或逆压电效应将电信号和声音信号相互转换能器可分为两类：一类是发射型换能器，它可以将电能转化为机械能，再转化成一类是接收型换能器，它可以将声能转化为机械能，再转化成电能[2-3]。具体工图 1-1 所示。据压电换能器类别的不同对其中的压电陶瓷性能的要求也不同，对于接收型换能料具备大的机电耦合系数 Kp和压电常数 d33；对于发射型换能器，则要求在强电高的机械品质因数（Qm）和较小的介电损耗（tan ），以减少换能器在工作中的问题；而收发兼用型换能器需要兼顾以上两者特点。因此，，通过有效材料体系设制备工艺，研制出具有良好综合性能的压电陶瓷材料具有重要的科研和应用价值

微观层面,铁电相变,钙钛矿结构,晶格

华中科技大学硕士学位论文在压电技术应用中占据重要地位，在特定的相变温度，也就是所谓电材料中产生自发极化 Ps。在居里温度 Tc之上，自发极化消失的依赖性遵从于 Curie Weiss 定律，如公式 1-1 所示[5]。0 0CT T 性的位移型铁电体材料是钙钛矿结构铁电材料，其中典型的有 BaPZT）等，其晶格结构如图 1-2 所示。其立方晶格的核心由中心面体构成，晶格的电中性和空间稳定性依赖于单胞顶角处的 2 价 BO6八面体，它们确保了体系的铁电和压电特性[6]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB565.1

【参考文献】