[发明专利]一种机电耦合系数明显各向异性的高性能锆酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及机电耦合系数具有明显各向异性特点的高性能锆酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

铁电压电材料能实现机械能与电能的相互转化，因此在换能器、传感器及滤波器等领域都有着广泛的应用。^[1]压电换能器在工作时，同时存在多种振动模式，如径向振动、厚度振动等。对于某种特定应用，一般希望获得单一的振动模式，如在超声换能器中，希望获得纯的厚度振动模式。但是对于普通的压电陶瓷，由于多个振动模式同时存在，不同振动模式可能在接近的频率出现，从而造成振动模式之间的相互影响，降低换能器的分辨率等性能。对于高频超声换能器等应用，需要压电陶瓷有着尽量大的厚度机电耦合系数K_t，尽量小径向机电耦合系数K_p，即大的各向异性，这样可以使换能器与媒介充分耦合，减少径向振动产生的寄生响应，以提高超声检测的信噪比及分辨率。^[2-4]普通的锆钛酸铅0PZT)基压电陶瓷材料尽管具有优异的压电性能，但是其厚度机电耦合系数K_t与径向机电耦合系数K_p数值接近，因此在高频超声换能器等应用中受到一定的限制。

为了获得具有大各向异性的压电陶瓷，各国研究人员开展了广泛的研究。俄罗斯研究人员采用改性的铌酸钠基压电陶瓷，该陶瓷虽然具有较好的各向异性，但是其厚度机电耦合系数K_t较低，不利于实际应用。^[5]上世纪70年代，日本研究人员发现碱土金属或稀土离子掺杂的钛酸铅(PbTiO₃)基压电陶瓷K_t较高，而K_p较低，具有大的各向异性，适合作为高频超声换能器。钛酸铅晶体结构具有大的c/a比，自高温冷却通过居里点时，由于晶胞体积的急剧变化，陶瓷会碎裂成粉末，迄今为止研究人员无法获得纯钛酸铅陶瓷。经过碱土金属或稀土离子掺杂后的钛酸铅陶瓷虽然能制备成功，但是在放置一段时间后，也容易发生开裂。因此，钛酸铅基陶瓷虽然具有较好的性能，但是其制备仍然有一定困难。^[6-7]。

综上所述，目前已知的具有大各向异性压电陶瓷在性能或制备工艺上均存在不同程度的缺点，因此，寻找同时具有大各向异性、优异的压电性能及良好的工艺特性的材料仍然是各国研究人员努力的方向。

现有技术文献：

[1]B.Jaffe，W.R.Cook，and H.Jaffe，Piezoelectric Ceramics，Academic Press，New York，1971

[2]A.V.Turik and V.Yu Topolov，Ferroelectric ceramics with a large piezoelectric anisotropy，J.Phys.D:Appl.Phys.，30(1997)1541–1549

[3]张健，张沛霖，钟维烈，关于钛酸铅陶瓷的压电各向异性，压电与声光，1996，18(5)：349-353

[4]张源伟，尚勋忠，周桃生，柴荔英，邝安祥，袁润章，制备工艺对新型大各向异性压电陶瓷材料性能的影响，功能材料，2001，32(3):305-307

[5]L.A.Reznichenko，L.A.Shilkina，A.V.Turik，and S.I.Dudkina，Giant Piezoelectric Anisotropy in Sodium Niobate with a Composite-Like Structure，Tech.Phys.，2002，47(2):206–208

[6]Ichiro Ueda，Effects of Additives on Piezoelectric and Related Properties of PbTiO₃Ceramics，J.J.Appl.Phys.，1972，11(4):450-462

[7]H.Takeuchi，S.Jyomura，Y.Ito et al，Rare-earth substituted piezoelectric PbTiO₃ceramics for acoustic wave applications，Ferroelectrics，1983，51:71-80。

发明内容