超声波换能器材料的设计与研究.pdf

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1、《精密制造与自动化》超声波换能器材料的设计与研究湘潭大学机械工程学院(411105)周里群李玉平摘要本文就超声波换能器所用材料进行了分析与讨论，介绍PZT的结构、相图与制备方法，重点对PZT的掺杂改性进行了研究与总结，最后介绍了关于PZT的当前的研究热点与研究方向。关键词PZT换能器超声波超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶的不同要求，可以选用不同的锆钛比成分来配方。例体换能器两类。如，要求高Kp（机电耦合系数），高Î（介电常数）属于磁致伸缩的有镍片换能器和铁氧体换能器。的材料，就需要选择铬钛比个相界附近的配方；如果铁氧体换能器的电声转换效率

2、比较低。一般使用一、要求高Qm（机械品质因数），低Kp的材料，就往往二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。镍片选取离开相界的铬钛比的配方。所以，PZT压电陶换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今很少使用[1]。瓷材料的性能可以通过改变锆钛比来进行调节。目前，广泛使用压电晶体换能器。这种换能器电二、锆钛酸铝陶瓷材料的改性声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容改变PZT中Zr/Ti的比值，可以调整陶瓷材料易老化。常用的材料有石英晶体、钛酸钡（BaTiO）的性能参数。但是仅用这种方法得到的材料，还不能3和锆钛酸铅（PbTiZrO，简称PZT）

3、。满足实际应用的要求。例如，在许多场合下同时要求3石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01具有高的Kp和Qm。仅用这种改变组分的办法是很μm以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大难达到的。20～30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。锆钛在生产和科研中，往往采用掺杂来改进PZT陶酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗，探伤瓷材料的性能。按在固溶体化合物中添加金属离子和小功率超声波加工的换能器[2]。化合价与被置换离子化合价相比，分成等价离子置一、锆钛酸铅的结构与相图换和不等价离子置换。不等价离子置换又分为高价锆钛酸铅是ABO型钙钛矿结

4、构的二元系固溶离子置换和低价离子置换[4]。3体，其化学式为Pb(ZrTi)O。晶胞中的B位置可1、等价离子置换x1-x3以是Ti4＋，也可以是Zr4＋。由于Ti4＋的离子半径（这是指用与Pb2+、Ti4＋或Zr4＋化合价相等、离0.64埃）和Zi4＋离子半径（0.77埃）相近，且两种子半径相近的金属离子置换PZT中正常晶格中少量离子的化学性能相似，所以PbTiO与PbZrO能以pb2+，Ti4＋或Zr4＋，形成取代式固溶体。其结构仍33任何比例形成连续固溶体。对于锆钛比例不同的固然是钙钛矿型结构，但其物理性能、电性能发生变溶体，由于其内部条件不

5、同，所以结构和性能也不化。同。从研究它的相图可知，在相变温度以下。在难同常用来取代pb2+的碱土金属高于有Sr2+，Ca2+，型相界的右边（即富钛一边），固溶体为四方晶相；Ba2+和Mg2+等。这种部分置换pb2+后，PZT陶瓷材相界的左边（即富锆那一边）为三角品相。这两种晶料性能的变化规律是：相的晶体都具有压电效应。且四方晶相的自发极化a．居里温度Tc降低；方向沿晶胞伸长的轴；三角品相的自发激化方向则b．介电系数Î显著增大，压电系数d、机电耦1活品胞的空间对角线方向。合系数Kp、及陶瓷密度有所增加；在相变温度以下，铬钛比100/0到94/6的狭

6、窄C．导致c/a比值降低，即各向异性减少；范围内，固溶体属反铁电正交结构，无压电效应[3]。d．改变准同型相界位置。在生产设计上，根据各种压电器件对材料性能有时为了得到性能更优的PZT陶瓷材料，还可·18·2004年第1期(总第157期)采用同时加入两种或两种以上等价离子的取代方法，PbO+xZrO+(1-x)TiO→Pb(Zr,Ti)O(1)22x1-x3称为“复合取代”。复合取代往往可以兼顾两种取代根据要求的PZT性能，按照PbZrO-PbTiO的33离子的优点，而部分地克服单一取代的缺点。例如，相图[6]确定组分比例x，再用分析天平按PbO

7、、ZrO、2同时加入Sr2+，Ba2+或Sr2+，Mg2+或Sr2+，Ba2+，Mg2+TiO的摩尔数称量。考虑到在高温烧结过程中PbO2等。当比例调整适当时，可以得到Kp值高，频率温的挥发，通常需加入10％的过量PbO[7]。度稳定性好的PZT陶瓷材料。b.混合2、高价离子置换压电陶瓷坯体中的各种组分应当非常均匀地加它是指用比Pb2+、Ti4＋或Zr4＋化合价高的金属以混合。如果混合均匀性不好，则压电和介电性能一离子置换PZT陶瓷中部分Pb2+或Ti4＋(Zr4＋)。例如，般会受到损害。可用将按比例量好的PbO、ZrO、2用La3+、Bi3+、

8、Sb3+等离子置换Pb2+；用Nb5+，Ta5+，TiO的混合物研磨1小时，使其混合均匀。2W6+等离子置换Ti4＋(Zr4＋)。高价离