pmnt及其在水声换能器中的应用

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1、2004年第1期声学与电子工程总第73期PMNT及其在水声换能器中的应用11211孟洪俞宏沛罗豪甦刘继伍李建成（1第七一五研究所杭州310012;2中国科学院上海硅酸盐研究所上海201800）摘要本文阐述了弛豫铁电单晶PMN-PT、PZN-PT材料的性能特征及其在国内外水声领域应用的现状和发展趋势。并利用上海硅酸盐研究所提供的PMN-PT元件设计制作了单晶纵振换能器、厚度模换能器及加速度计。通过对PMNT换能器性能测试数据的分析，得到了一些较有意义的结论。关键词弛豫铁电单晶PMN-PTPZN-PT纵振换能器厚度模换能器偏电场1引言2弛豫铁电单晶材

2、料性能换能器的发展是与功能材料的研究密切大尺寸高质量的弛豫铁电单晶PMNT和相关，20世纪五十年代水声换能器所用的有功PZNT的生长成功，是铁电领域里的一项重大材料大多是单晶的，其后被多晶钛酸钡进而为突破。弛豫铁电单晶材料以其优异的压电性能锆钛酸铅PZT所取代。直到九十年代出现了弛引起了国际上的极大关注，其压电系数d33、豫铁电单晶PMN-PT和PZN-PT才动摇了多晶机电耦合系数k33分别高达2000pC/N和0.9压电陶瓷的统治地位。以上，应变量达到1.7%，机电转换效率和应变弛豫铁电单晶材料族铌镁酸铅/钛酸铅量大大超过了现有PZT压电陶瓷材

3、料，特别适（PMN-PT）和铌锌酸铅/钛酸铅（PZN-PT）是合于高效率、高灵敏度收发换能器的研制。为一种新型复合钙钛矿型晶体材料。它具有较高此，1997年3月《Science》杂志发表专文对这的33振模耦合系数和大的饱和应变，因此有望类新型弛豫铁电单晶体材料作了评述，认为这展宽换能器及基阵的工作频带，且功率容量也是半个世纪以来铁电材料领域的重大突破，美很大。目前已引起各国海军声纳界极大的兴趣。国海军认为这将给海军水中装备性能带来革命美国国防尖端研究项目署投入数千万美元重点性的变化。开发新型弛豫铁电单晶及其在水声换能器中的应用。表1小信号下PMN

4、T单晶和PZT陶瓷的性能比较ED参数rY33Y33g33d33k33FOM(g*d)FOM(g*d/tand)e33/e03-3-112102材料(kg/m)(GPa)(GPa)(´10Vm/N)(pm/N)(pm/N)(´10m/N)(´10m/N)PZT-5HCeramic7500340048.1111205930.751.174.67NavyTypeVPMNT80501110010.275.42928800.938.5121singlecrystals表2大信号下PMNT单晶和PZT陶瓷的性能比较E参数rY33d33k332T2e33/e0

5、tandEdcErmsk33e33ErmsRelative3材料(kg/m)(GPa)(pm/N)(pm/N)PZT-8Ceramic76007410002250.750.00400.390.580.0NavyTypeⅢPMNT800015.3730019000.930.0250.70.398.711.8singlecrystals从表1、表2可见，弛豫铁电单晶材料具用于高效率发射和高灵敏度接收水声换能器。T有高的d33、g33、k33、å33和较低的电损耗，可将为声呐作用距离增大、检测阈值降低创造了222004年第1期声学与电子工程总第73期基

6、础。目前国内PMNT单晶技术参数如下。晶棒在国内，中国科学院上海硅酸盐研究所和尺寸：Ö50×70mm，晶片尺寸30×30mm2；耦西安交通大学等单位近几年也开展了这种晶体合系数：k33~94%,kt~62%；介电常数e：材料的基础研究和晶体生长工艺方法探索，经4200~5400，tand<0.8%；压电系数d33：过几年的积累，在生长技术、工艺参数、性能1500~2500pC/N；单晶的均匀性：同一晶片⊿e表征等方面已经具有良好的基础，并且已能生<±7%，⊿kt<±1%；具有特别高的场致应变长出Ö50×80mm的PMNT单晶样品，其性能Smax～

7、1.8%,非常低的应变滞后DS<2%；在指标和晶体尺寸一度处于国际领先水平（见图相同的驱动电场下，其应变约为PZT陶瓷的1）。这就为我们开展弛豫铁电单晶换能器研究5～6倍。准备了前提条件。图1上海硅酸盐研究所生长的PMNT单晶样品及其场致应变曲线表3上硅所生长的PMNT单晶与PZT-5H压电陶瓷材料的性能对比表标，于2001年设计出了7×7×10mm的弛豫铁3PMNT单晶换能器电单晶堆试验模型和相应的Tonpilz换能器阵近年来世界各海军强国开展了一系列弛元样品（见图2），并进行了相关实验。豫铁电单晶材料的制备及发射器、接收器和其美国宾州大学还开

8、展了PMN-PT小型化低它传感器设计等方面的研究工作。美国海军水噪声水听器研究，在PMNTTonpilz换能器研究下作战中心（NUWC）