压电单晶弯张换能器研究

　　换能器的发展是与功能材料的发展密不可分的.大尺寸、高质量的弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅((1-x)Pb(Mg1/3Nb2 /3)O3-xPbTiO3，PMNT)和铌锌酸铅-钛酸铅((1-x) Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，PZNT)的生长成功是无机功能材料领域里的一项重要突破[1]. 新型弛豫铁电单晶在准同型相界(morph-otropic phase boundary，MPB) 附近具有非常优异的压电性能，引起了国内外学者的广泛关注. 美国海军水下作战中心、宾夕法尼亚大学等机构[2-4]均开展了弛豫铁电单晶材料及相应水声换能器的性能研究工作; 国内的北京大学、杭州第七一五研究所等单位[5-7]也开展了相关研究，获得了一些有益的结果.

　　本文利用有限元软件 ANSYS 设计并制作了一个以 PMNT 单晶为驱动元件的Ⅳ型弯张换能器. 期望通过本文的研究，进一步了解单晶材料的特性、单晶换能器的性能，并通过有机结合弯张换能器的振幅放大效应和单晶优异的压电性能制作出性能更加优异的水声换能器.

　　1 弛豫铁电单晶及其性能

　　新型弛豫铁电单晶是指以铌镁酸铅-钛酸铅(PMNT)和铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT)为代表的一类具有复合钙钛矿结构的固溶体单晶，其在准同型相界(MPB)附近具有非常优异的压电性能. 压电常数d33达到2000pC/N，机电耦合系数k33达到90%以上，其最大应变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，达到了1.7%.表1是弛豫铁电单晶PMNT同常用的压电陶瓷PZT-4 的性能比较表[8]. 由于受生长方法、加工工艺、测量等因素的影响，即使是同一成分的PMNT单晶，不同文献报道的性能结果也存在较大的波动[9-10]. 本文采用的是上海硅酸盐研究所提供的PMNT69/31单晶.

　　通过对弛豫铁电单晶材料的分析研究，发现PMNT单晶与PZT压电陶瓷相比存在如下优点:

　　1) 弛豫铁电单晶PMNT的介电常数大于PZT-4，因此作为发射换能器的换能材料有效降低了换能器的阻抗，易于实现阻抗匹配.

　　2) PMNT的压电常数、机电耦合系数均大于PZT-4，有利于获得较大的应变、扩展水声换能器的工作频带; 在对PMNT单晶施加一定的直流偏置的前提下，施加相同的交流驱动时，单晶材料的能量密度约为PZT的15倍[11]，这将有利于提高换能器的功率容量.

　　3) PMNT的恒电场条件下的柔性常数分量SE33，约为PZT-4的1/5，对于纵振动换能器来说，更易于获得较低的谐振频率或减小换能器的尺寸.但是PMNT单晶也存在一定的不足，如: 弛豫铁电单晶在材料均匀性和一致性方面存在一定的不足，材料受组分变化性能有很大差异; 其在准同型相界附近的居里温度和三方、四方相变温度较低[12]，这对换能器的制作工艺提出了新的要求，也在某种程度上限制了单晶换能器的应用.