二元系大功率发射型压电材料性能研究.doc

二元系大功率发射型压电材料性能研究2011年第2期声学与电子工程总第1o2期二元系大功率发射型压电材料性能研究金莉莉罗涛汪跃群(1第七一五研究所,杭州,310012;2富阳市人才与信息中心,富阳,311400)摘要实验采用pbl一sr(zrti1一)o3+ymo1%cafeo5/2+zwt%pb3o4系材料,通过对材料压电,介电性能测试,探讨了zr含量和cafeo5/2的含量变化对于材料性能的影响,zr含量为0.53时,材料的耦合系数k.最大为o.508,et33/;0=984,qm=975.材料的烧结温度定存1300c左右.cafeo5/2的含量为1.25时,压电陶瓷的介电和压电性能良好,获得了较高的k值和d同时又兼顾了品质因数q值和介质损耗tan8,材料的性能参数为:e33/c0=989,tan6%=o.221,d33=241pc/n,6=116.422khz,kp=0.522,q=1095.关键词二元系;大功率发射;压电陶瓷;介电常数;机电耦合系数通常的大功率发射型压电元件在强场下容易发热,并在压力作用下容易开裂和退极化,这就要求其在强场下的介质损耗小,q值大,压电性能不易衰退.而对于大功率发射型换能器或大振幅超声换能器,首先要求材料的强场介质损耗tan8尽可能降低到最小,并要求材料的q值大,否则材料的介电损耗和机械内耗将使换能器发热而引起温度升高,从而影响换能器的效率,功率极限j;为了提高这种换能器的效率,还要求材料的压电常数d31或d33和机电耦合系数k3l或kn值高.pzt系统的压电陶瓷是目前应用最广泛的压电铁电陶瓷材料,处于准同型相界附近的锆钛酸铅二元系压电陶瓷,具有良好的介电和压电性能,进行适当的掺杂可同时获得高q值和高kn值,并且还具有谐振频率的时间,温度稳定性好,损耗小等特点,可得到一种比较优秀的大功率压电陶瓷,引起了许多学者的注意4.本实验采用二元系锆钛酸铅pzt系统,为了获得综合性能良好的大功率陶瓷材料,在配方设计时应在靠近二元相图底线的准同型相界附近选择配方以确保高d33,kp,q和工艺稳定性,试验中通过调整zr/ti寻找相界点,添加稳定剂sr,来改善压电陶瓷的综合性能,降低烧结温度,提高频率稳定性;同时通过添加少量cafeo,用以提高材料的性能,选择ca2掺杂可以增加瓷体的致密度使频率温度稳定性提高,fe属于硬性掺杂,使介电损耗降低,机械品质因数q提高.本试验选定基础配方为pb1一srx(zrtil.)o3+ymo1%cafeos/2+zwt%pb304.l实验1.1材料组成30材料基本组成为: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.为了获得性能较好的压电材料,试验中调节zr/ti和cafeo5/2的含量.1.2试样准备试验中所选用的原料为pb3o4,tio2,zro2,srco3,caco3,fe2o3.试样采用普通压电陶瓷工艺制备.将氧化物粉料按化学计量比混合,湿法球磨4h,干燥后压块,在ai203坩埚中预烧2h,温度为800900,合成后的粉末球磨6h,烘干过筛后添加质量分数5%pva(聚乙烯醇),30mpa下预压,放置12h后砸碎过筛,11mpa下加压成型,制成25mmf2.33.0)mm的坯件,800下保温2h进行排塑,在1260.cl320烧结,保温2h,烧好的样品机加工成20mm1mm的陶瓷片,再经超声清洗后被覆银电极,烧银温度800,最后在110120的硅油中极化15min,极化场强为3400v/mm3600v/mm,极化好的样品静置24h后测量.1.3测试根据传输线路法测量谐振频率,反谐振频率以及相应的等效阻抗,通过查表和计算求出机电耦合系数k和机械品质因数q.电容c和介质损耗tan用automaticlcrmeter4294测量,由电容算出相对介电常数et33/e.2结果与分析2.1不同zr/ti对材料性能的影响材料的基方组成为pb1.sr(zrati1.)o3+ymo1%cafeo+zwt%pb3o4,在y=1.0时,调整a值进行材料试验.在a=0.520.53的范围内进行调节,其材料配方中的参数和性能参数如表1和表2金莉莉等:二元系大功率发射型压电材料性能研究所示.不同zr/ti对于材料性能的影响如图1所示.从表2和图1可以看出,在烧结温度为13l0时,当zr含量从0.52增加到0.53时,材料的介电常数由1047减小到984;机电耦合系数kn由0.429增大到0.508;机械品质因数q由1187减小到975;谐振频率由118.66khz减4,n1l5.973khz.这主要是因为相界处成分的晶体结构属于四方三方两相过渡的特殊情况,四方和三方两种结构会同时共存_5j.在电场或外力的作用下发生形变时,晶格结构发生相变,即从四方晶相转变到三方晶相或从三方晶相转变到四方晶相,有利于锆离子和氧离子之间的相对位移.所以在晶相界附近,机电耦合系数能够达到最大值.另外,由于四方相中自发极化有6个可能方向,而三方相的自发极化有8个可能方向,这样在相界附近就有14个可能的极化方向,这使得极化过程中电畴易于转向.由于陶瓷内部存在内摩擦,较多的白发极化转向,将使机械损耗变大,q减小.因此,该体系的准同型相界点在zr含量为0.53附近.表2压电性能参数表1材料配方参数编号azr1.a.tiycafeos/21o.520.481o20.5250.4751.o30.530.471.0编号烧结温度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墓埘-.t一/lliiljin叫0琦一舶0=r入l,iili图1不同zr含量对材料性能的影响从图3还可看出,试样在1310下烧结的压电性能1t33/13o,kd和q值均较1270要大,所以此体系的烧结温度定在1300左右.2.2不同cafeo.含量对材料性能的影响确定了zr含量为0.53时,体系的配方为pbl-xsrx(zro53tio.47)o3+ymo1%cafeos/2+zwt%pb3o4,试验中通过cafeo5,2进一步改善材料的性能.在y=0.81.5的范围内调整y值,其材料配方参数和性能参数如表3和表4所示.表3材料配方参数编号y-cafeosj2a_zr1一a.ti10.80.530.4721o0.530.4731.25o.530.4741.5o0.530.473l金莉莉等:二元系大功率发射型压电材料性能研究表4压电性能参数编号烧结温度/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数据列出了在1300下烧结,cafeo5/2的含量从0.8mo1%增加到1.5mo1%时的材料性能.从表4数据可以看出:当cafeo5/2含量从0.8mo1%增加到1.5mo1%时,介电常数变化平缓,趋于稳定.cafeo5/2含量的变化对材料介电性能的影响如图2,图3所示.档蝣2,5瑚蠹2龋誊翻琊一甜o205(地盘鼹图2不同cafeo5,2含量对tan6和d33的影响图3不同cafeo5/2含量对kd和q的影响从图2可以看出,当cafeo含量从0.8mo1%增加到1.5mo1%时,介电损耗tan8先减小后增大,当cafeo5,2含量为1mo1%时取得最小值0.17;而随着cafeo5/2含量增加,d33是先增大后减小的,当cafeo5/2含量为1.25mo1%时取得最大值241pc/n.由离子半径和电中性规则可以知道:fe2o进入晶格占据钙钛矿结构的b位,是以fe和fe2.的形式取代zr或ti(fe的半径为0.064nm,fe的半径为0.074nm,zr的半径为0.079nm,ti的半径为0.068nm),由于fe和fe比原有的金属离子(zr和ti)的价态数低,取代使晶32格中出现超额负电荷,为保持晶胞的电中性,需产生氧空位.氧空位出现后,会使晶胞产生收缩变形,使材料中畴壁运动困难,导致介电损耗降低.从图3可以看出,当cafeo5/2含量从0.8mo1%增加到1.5mo1%时,品质因数q从1007逐渐增加到1108;耦合系数kd值先增大后减小,当cafeo5/2含量为1.25mo1%时取得最大值0.522,这是由于cafeo5/2的加入使得体系的晶相界发生了改变.综合上述可知,cafeo5/2含量为1.25mo1%时,压电陶瓷的介电和压电性能良好,获得了较高的k.值和d33,同时又兼顾了q值和tan8,这有利于将输入的电能转变成机械能,提高大功率材料的工作效率.3结论(1)当zr含量从0.52增加到0.53时,材料的相对介电常数由1047减小到984;机电耦合系数kp由0.429增大到0.508;机械品质因数q由1187减小到975;谐振频率,;由118.66khz减小到115.973khz,试验中确定该体系的准同型相界点在zr含量为0.53附近.(2)试样在13l0下烧结的性能较1270要好,所以此体系的烧结温度定在l300左右.(3)当cafeo5,2的含量为1.25mo1%时,确定体系配方为pb1一srx(zr0.53ti047)03+1.25mo1%cafeo5/2+zwt%pb304,压电陶瓷的介电和压电性能良好,获得了较高的k.值和(133,同时又兼顾了q值和tan8,材料的性能参数为:133/80=989,tans=o.221%,d33=241pc/n,.=116.422khz,kd=o.522,qm=1095.参考文献:1takahashis,sasakiyhiroses,eta1.stabilityofpbzro3一pbtio3?pb(mn1/3sb2/3)03piezoelectriccetamicsundervibrationlevelchange.jpnjapplphys,1995(34):53285331.(下转第36页)李建成等:双谐振柔顺层换能器起伏约为7.5db.;2325i2210:-.一?图lo柔顺层换能器结构尺寸图(单位mm)170165160一曲155150l45l401601651701753180185190195200_37;i厂,/=/f12l5l82l2427303336f(khz)/一厂,一15l7192123252729313335f(khz)图l1实测柔j顷层换能器九元阵发送电压和接收灵敏度响应曲线4结论本文对柔顺层换能器进行了理论分析和实验(上接第32页)2ygao,y-hchen,jryu.euandybsubstituenteffectonthepropertiesofpb(zr052ti0.48)03一pb(mnl/3sb2/3)o3ceramics:developmentofanewhigh-powerpiezoelectricwithenhancedvibrationalvelocityj.jpnjapplphys2001,40(2a):687-693.3顾威,桂治轮,李龙土,等.高qm,低损耗压电陶瓷材料的研究【j_硅酸盐通报,1994(3):24-27.36验证,得到了以下几点:(1)在传统的纵振tonpilz换能器上每增加一段质量和顺性材料后即可增加一个谐振频率点,形成宽带发送电压和接收灵敏度响应;(2)其它参数不变随着柔顺层厚度的增加两个谐振频率均降低,两个谐振频率之间的响应起伏变大,即柔顺层的厚薄可以调整响应的平坦度;(3)其它参数不变中间质量增长时第一谐振频率略降低,第二谐振频率降低较快,两个谐振频率点问的带宽变窄,响应更加平坦,即中间质量对高频谐振影响较大.参考文献:1fujiiishimurah,yamamotpm,eta1.widebandlangevintypetransducerwithabendingdiskontheradiationsurfacec.udt2001:underseadefencetechnology,2001:421424.2俞宏沛,李继增,林家旺,等.采用匹配层的超宽带换能器实验研究j.声学与电子工程,1998(1):2326.3qingshanyao,leifbj中m.broadbandtonpilzunderwateracoustictransducersbasedonmultimodeoptimazationj.ieeetransactionsonu