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

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杂对Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.48Ti0.47O3（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Qm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%，Qm=1790，εr=1443，d33=376pC/N，Kp=0.63，瑞利系数αε=0.48×10-3m/V，500V/mm处的强场介电损耗为2.05%。当稀土元素和少量Fe2O3掺杂共掺杂时，损耗性能得到改善，而当Fe2O3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%，Qm=1500，εr=1055，d33=360pC/N，Kp=0.61，瑞利系数αε=0.60*10-3m/V，500V/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CeO2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CeO2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CeO2掺杂量为x=1处取得最佳的综合性能：tanδ=0.43%，Qm=1272，εr=1364，d33=328pC/N，Kp=0.58，瑞利系数αε=0.60×10-3m/V，500V/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CeO2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CeO2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Qm。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，CeO2掺杂量x=1处得到最好的综合性能：tanδ=0.43%，Qm=1307，εr=1277，d33=447pC/N，Kp=0.54，瑞利系数αε=0.53×10-3m/V，500V/mm处的强场介电损耗为4.04%。达到预期目标。

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