铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的高压电活性研究进展

以Pb(Zr_(1–x)Ti)x)O)3(PZT)为代表的铅基压电陶瓷因为具有良好的压电性能和机电耦合性能已被广泛应用于科技、工业、军事以及日常生活中.但是, PZT基陶瓷中Pb的含量超过了60%(质量比),在生产、使用及废弃处理过程中都会给人类生态环境造成严重损害.因此,发展无铅压电陶瓷已成为世界压电陶瓷研究的热点之一.铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5))NbO_3 (KNN)无铅压电陶瓷因为具有较为优异的压电性能以及较高的居里温度,被认为是最可能取代铅基压电陶瓷的材料体系之一.经过研究者们的努力工作,改性后的KNN基无铅压电陶瓷压电性能已经接近或超过了某些铅基压电陶瓷的性能.本文综合介绍了具有高压电活性的KNN基无铅压电陶瓷国内外的研究进展,重点阐述了高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷制备工艺及相关理论基础的研究进展,并就今后铌酸钾钠基无铅压电陶瓷研究发展的方向及前景提出建议.     

孔隙率及晶粒尺寸对多孔PZT陶瓷介电和压电性能的影响及机理研究

采用添加造孔剂的方法制备多孔锆钛酸铅(PZT)陶瓷，并研究了孔隙率和晶粒尺寸对多孔PZT陶瓷介电和压电性能的影响及机理.研究表明：孔隙率的增加降低了多孔PZT陶瓷的介电常数，提高了静水压优值，并证明在一定条件下孔隙率与介电常数关系可由Okazaki经验公式及Banno模型预测；晶粒尺寸增加，多孔PZT陶瓷的介电常数、压电系数和优值增加，并可用Okazaki空间电荷理论解释晶粒尺寸对试样介电和压电性能的影响.对于添加重量百分数为10%造孔剂的多孔PZT陶瓷，当烧结温度为1300℃时，孔隙率为34%，d关键词： 多孔PZT陶瓷 静水压优值 压电性能 介电性能     

PVDF压电薄膜超声换能器的初步实验

本工作对国产PVDF压电薄膜制成的超声换能器进行了初步实验.结果表明,PVDF压电薄膜换能器具有良好的接收响应.与PZT压电陶瓷换能器比较,其结构简单、制作方便以及能得到宽而平坦的通带特性,但灵敏度低.实验初步表明,国产PVDF压电薄膜巳达到了实用水平.     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器*

高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一,为了探究其在水声换能器领域的应用潜力,该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据仿真结果优化结构尺寸,制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明,铌酸钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为35kHz,最大发送电压响应为 151dB,声源级可达 190dB,在 26kHz~67kHz 的频率范围内发送电压响应的起伏不超过±4.5dB,谐振频率处-3dB 的指向性开角约为 76°。该无铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能,有望推动无铅压电材料在水声换能器领域的应用进程。     

检测超声换能器用1-3型压电PZT/环氧复合材料及换能器的研究

本文介绍了一种制做1—3型压电 PZT/环氧复合材料的新方法.此方法采用了PZT小柱非周期性均匀分布,有效地消除了由于PZT小柱周期性分布而产生的有害横向结构共振模式,获得了振动模式较单纯的1—3型压电复合材料晶片,研制出宽带(低Q)换能器及高斯型换能器.     

反铁电相变陶瓷低频发射换能器

在具有高阶形式的广义压电方程基础上,讨论掺镧改性锆锡钛酸铅PbLa(Zr,Sn,Ti)O3(PLZST)反铁电相变陶瓷的非线性机电耦合问题,得到类似传统线性压电方程的近似线性电致伸缩方程,给出了一种解决非线性反铁电相变陶瓷换能器电声转换问题的分析方法,即在直流偏置状态下对PLZST反铁电相变陶瓷的材料参数进行近似线性等效化处理进而分析换能器的电声转换问题.在此基础上,研制了水中谐振频率1.1 kHz新型反铁电相变陶瓷低频弯张换能器.湖上试验结果表明,与同结构同尺寸压电陶瓷弯张换能器相比,目前反铁电换能器样品的发射电压响应约高3dB,声源级高出9dB,并验证了本文所提出的分析非线性反铁电相变陶瓷换能器方法的正确性.     

磁致伸缩-压电混合激励Janus换能器结构特征参量与纵振频率之间的关系

为了拓宽Janus换能器的工作频带,使用超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为混合激励元件驱动Janus换能器,研究了其结构特征参量与纵振频率之间的关系.首先归纳了磁致伸缩-压电混合激励Janus换能器的12个结构特征参量.随后通过模态分析,证明换能器具有两种纵振动模态.最终经过有限元仿真计算,总结分析...     

cMUT阵元的声学分析与环形扫描成像

电容式微机械超声换能器(cMUT)具有宽带宽、灵敏度高、机械阻抗低和与电子电路集成制造等优点.由于超声换能器声场设计的好坏决定了成像质量的优劣,为了明确阵元参数与辐射声场的关系,该文对不同的阵元参数进行了计算仿真.与压电陶瓷超声换能器的结构不同,cMUT阵元是由多个电容单元(cell)并联构成.因此分析了cell的半径...     

基于相变换能机理的反铁电陶瓷水声换能器初探

阐述了改性锆锡钛酸铅Pb(Zr,Sn,Ti)O3(PZST)反铁电陶瓷作为一种基于相变换能机理的大应变电致伸缩材料的性能特征以及作为水声换能器新型有源材料的优势。采用掺镧改性锆锡钛酸铅PbLa(Zr,Sn,Ti)O3(PLZST)反铁电陶瓷材料首次设计制作了纵振式反铁电陶瓷水声换能器。试验结果表明,PLZST反铁电陶瓷用于水声换能器研制在技术上是可行的,与压电陶瓷换能器比较,目前反铁电换能器样品的等效发射电压灵敏度提高3~5dB以上。根据实验情况,认为在发射电压灵敏度和声源级方面具有进一步提升的潜力。     

双激励全波长压电陶瓷超声换能器工作特性分析

对由两个半波长夹心式压电陶瓷换能器级联而成的双激励全波长压电陶瓷超声换能器进行了研究,给出了这种换能器优值的相关参量表达式,通过数值计算分析了该换能器的结构和材料参数对其特性的影响。研究结果表明,当两组压电陶瓷堆分别位于各自所在半波长换能器的位移节点,或者在压电陶瓷片数量确定情况下两组压电陶瓷堆的片数相同时,换能器均能得到最大的优值;在相当大的范围内增加压电陶瓷片的数量,换能器的优值稍有降低,但力因子迅速增大;金属块材料对换能器的优值影响甚微。可见双激励全波长换能器能在不明显降低换能器综合性能的情况下有效增加压电陶瓷的体积,因而可大幅提高换能器的功率容量和负载能力,更适用于大功率重负载的场合。      

径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性研究

对径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性进行了分析。该换能器由一个厚度极化的压电陶瓷实心圆盘和一个金属圆环在半径方向复合而成。论文首先研究了压电陶瓷圆盘及金属圆环的径向振动,推出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,利用换能器的径向边界条件,得出了径向复合压电陶瓷换能器的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器的共振频率和有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的依赖关系。设计并实际制作了一些径向复合超声换能器,对其径向共振及反共振频率进行了测试,并利用有限元法进行了数值模拟。研究表明,利用文中理论得出的换能器的共振频率与实测值及数值模拟结果基本符合。     

向空气中辐射超声波的环形压电换能器

超声压电换能器向空气中辐射超声波的主要缺点是效率低,这是由于压电材料的声阻抗与空气的声阻抗严重失配(差5个数量级)。有两种途径可提高换能器向空气中辐射声波的效率,一是采用多层结构的匹配技术,二是设计高、低声阻抗材料相组合的换能器。作者遵循后一种方法设计并制作了一种新的高效压电换能器。它是将压电圆环埋置在低阻抗的弹性材料(塑料或树脂)中而成的,如图1所示。     

致密—多孔—致密夹心PZT压电陶瓷及其在换能器方面的应用

本文用比较简单的陶瓷制造方法,制备了致密—多孔—致密夹心PZT陶瓷,并测定其在不同致密层和不同气孔率下的介电、弹性和压电性.这种夹心陶瓷呈现了大的静态电压压电系数g_k~*—170×10~(-3)vM/N,和小的介电常数—210. 用这种夹心陶瓷做成的水听器,要比用同样尺寸的普通致密PZT陶瓷做成的水听器灵敏度高,频带宽,并能经受100kg/cm~2的静压力.若用于无损检测或医学超声探头,夹心陶瓷具有较大的潜力.     

基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

磁致伸缩-压电联合激励凹筒型发射换能器

设计制作了一种新型磁致伸缩-压电联合激励凹筒型发射换能器,采用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为联合激励元件,模拟计算与实测结果均表明,与采用单一振子激励的凹筒型发射换能器相比,此种新型换能器在保持尺寸小、频率低等优点的同时,显著拓宽了工作频带并提高了辐射声功率.换能器外型尺寸为φ88 mm×316 mm,水中谐振频率1.30 kHz,-3 dB带通Q值1.43,谐振频率下发射电压响应级135.1 dB.     

1-3型压电复合材料

1－3型压电复合材料是目前研究和应用得比较广泛的一种压电材料．本文简述了这种压电复合材料的理论模型、制作方法和实验结果；指出除了圆形PZT压电材料所具有的径向模和厚度模以外，1－3型压电复合材料还具有横向结构模．本文介绍了这种压电复合材料的特点，如低声阻抗、低介电常数、高静水压压电常数以及PZT相分布的可控制性等．这些特点有利于改善压电复合材料换能器的时间响应和空间响应．     

宏声声学器材厂生产压电陶瓷材料

河北省保定市宏声声学器材厂（原化新压电陶瓷器件厂）生产的PMN压电材料，其配方于1987年通过了由声学专家组成的省级技术鉴定．这是一种高KP，高介电常数，低Q。的压电材料，适用于接收型换能器．该厂目前已形成PMN、PZT等四大系列产品的生产能力：1．用P（ZTNU七；压电材料制造的油田声波测井YTG－l－7型高温测井压电陶瓷换能元件，测井时可发射、接收并用，从室温到20OC高温，机电转换率的变化率＜6％．2．用于接收的PMN压电材料及FTD蜂鸣片产品，适用于仪器仪表，传感器，电话机及讯响器．3．大功率发射型材料PZT－8，适…     

四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器的设计

提出了一种四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器,换能器由四组纵向极化压电陶瓷晶堆、一个中心耦合金属块和四个外部金属圆锥组成。基于二维耦合振动机理和机电类比原理,建立了换能器的等效电路模型并推导了其谐振频率方程。利用有限元软件仿真分析了四激励正交复合换能器的频响特性和振动特性,并与其单独一个方向振子的振动特性进行了对比。加工了反相和同相模态的换能器,利用阻抗分析仪和激光测振仪测试了其频率响应和二维四向纵振动输出特性,并进行了大功率二维四向超声乳化实验测试。理论、仿真和实验结果表明:换能器具有反相和同相两个纵向正交共振模态,在这两种共振模态下均可实现二维四向纵振动输出,且换能器两个正交方向振子的纵向振动具有相互耦合加强的作用;等效电路法和有限元法所得换能器的共振频率和有效机电耦合系数与实验测试结果吻合,通过与单激励正交复合夹心式压电超声换能器的有效机电耦合系数对比,发现该换能器具有更高的有效机电耦合系数。     

聚丙烯蜂窝膜驻极体压电系数的测量及压电性的改善

利用介电谐振谱分析了聚丙烯蜂窝状原生膜(PPCellular,PQ50型)的力学及介电参数，测得其压电系数d33约为18pC/N.经合理的压力膨化工艺处理后，其d33可增加至367pC/N，比久负盛名的铁电聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)的d33高20倍以上，也高于压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)的相应值.结合扫描电镜照片及根据PP蜂窝膜压电理论模型分析了这类空间电荷型非极性孔洞薄膜驻极体呈现高压电系数的结构和物理根源. 关键词： 聚丙烯蜂窝膜 压电性 介电谐振 压力膨化处理     

夹心复合PZT材料及其应用

本文主要描述致密-多孔-致密夹心复合PZT材料及其在窄脉冲超声换能器方面的应用。通过两类六种不同夹心复合材料的换能器实验表明,未充硅橡胶的夹心复合材料是一种制作窄脉冲超声换能器的新型换能材料。