非铁电压电玻璃陶瓷水听器分析

　　1　引言

　　极性玻璃陶瓷是指玻璃在特定的退火条件下析出具有压电和热释电等非铁电极性微晶的玻璃陶瓷。其主要特点是由于极性微晶沿c轴取向生长而产生自发极化,与铁电陶瓷的主要区别在于无需外电场极化而具有压电、热释电等特性。极性玻璃陶瓷使用温度高,无老化现象且具有较大的静水压压电优值常数,因而可以在水听器方面得到应用[1]。Ba2-xSrxTiSi2O8(BSTS)极性微晶属P4bm点群,是非铁电压电材料[2],居里温度不定,使用温度高(1000°C),不易老化,能抗恶劣环境等,特别是具有较大的静水压压电优值常数,适宜制作标准水听器。利用BSTS极性微晶的耐高温性,其在深水油井探测中的应用和利用其非铁电性在电子对抗中抗磁电干扰等方面的应用都显示出巨大的优势。用于制作水听器的材料主要有压电单晶、压电陶瓷、PVDF压电聚合物等。PZT铁电压电陶瓷广泛应用于水听器中,但由于具有较大的介电常数,因而静水压压电优值常数相对较低,且是铁电体因而也具有退极化现象;PVDF和PVF2具有较大的压电静水压常数,易于与水匹配,柔韧性好,并有一定的机械强度,但其工作温度低(<100°C)[3]。本文制备了耐高温非铁电BSTS极性微晶玻璃陶瓷的圆片、圆柱和球壳等水听器,并对水听器的性能进行了分析。

　　2　实验过程

　　基础玻璃组分为1.8SrO-0.2BaO-1.0TiO2-2.8SiO2,将各种分析纯试剂SrCO3、BaCO3、TiO2和SiO2等按比例混合,在铂金坩埚中于1550°C熔制,成形,在600°C退火。将玻璃切割、抛光,然后进行晶化处理,得到BSTS极性微晶玻璃陶瓷。

　　玻璃陶瓷的XRD结构利用D/Max-rC型X-ray衍射仪分析;玻璃陶瓷的形藐利用ASM-SX扫描电镜观察;压电常数d33用d33准静态仪测量,d31采用动态法测量。

　　水听器自由场电压灵敏度在4kHz以上时在5m×7.5m×15m水池中用脉冲法测量;在20Hz～1kHz其电压灵敏度和温度稳定性采用振动液柱法测量和校准;灵敏度与静压力的关系采用高压透声容器在水池中测量。

　　3　结果与讨论

　　3.1　极性微晶玻璃陶瓷的选择

　　图1为不同条件下玻璃陶瓷的XRD图谱。其主晶相为BSTS,但对于玻璃陶瓷粉末(d33=0),其极性微晶在极性玻璃中的生长是整体析晶和长大的;但具有较高压电常数(d33=10pC/N)的玻璃陶瓷块材,其极性微晶是沿着(002)方向取向生长。图2为极性玻璃陶瓷中BSTS的SEM形貌(d33=10pC/N)。图2表明,极性微晶具有取向生长特性。在水听器的材料选择中要求极性微晶取向度高,从而具有较大的压电常数和较高的静水压压电常数。

　　BSTS极性微晶的压电特性是由于在温度梯度的驱动下极性微晶的取向排列产生,要在1150°C高温条件下使极性微晶软化,才能破坏极性微晶的取向排列结构,否则很难改变其结构和压电性能,这与铁电陶瓷在外电场作用下电畴取向机制不同。对10年前的试样测量结果表明d33值完全一样;对试样在1100°C恒温4 h,冷却至室温后再测量d33值,结果表明d33值无明显变化;分别在电压5kV/mm和磁场1.2T中,其d33值也没有明显变化;对极性微晶的静水压测量表明,在8MPa时,静水压压电电压常数gh无明显变化[1],故BSTS极性微晶玻璃陶瓷适合于高温、高电压、高磁场和深水等条件下应用。