[发明专利]一种应用于水声换能器的压电陶瓷材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型无机非金属材料领域，更具体地，涉及一种应用于水声换能器的压电陶瓷材料及制备方法。

背景技术

在现代技术中，作为大功率水声换能器件的材料主要运用于压电换能器，压电换能器是利用压电材料的正逆压电效应制造的换能器，其广泛应用于军事卫星、导弹、飞机、舰艇、雷达和军用机器人等关键部件。在实际应用中，以压电型大功率水声换能器的应用占主导地位，而大功率压电型换能材料又以压电陶瓷为主。

对于发射型换能器压电陶瓷材料，首先要满足大功率，高效率的要求，其中大功率压电陶瓷材料要求材料有高压电常数(d₃₃≥270pC/N)、高机电耦合系数(K_p≥0.56)和高机械品质因数(Q_m≥1000)，并且强场下的介电损耗tanδ要尽可能小(tanδ≤0.4％)。其中，d₃₃和K_p两个参数反映压电陶瓷材料的压电性能，Q_m和tanδ两个参数反映压电陶瓷材料的损耗性能。另外，为缓解压电换能器的过热问题，压电陶瓷材料的强场非线性变化量需要尽可能低，即在交流电场场强变化过程中引入材料的相对介电常数ε_r的变化量需要尽可能低。

目前，研究和应用最为广泛的是PZT-8体系压电陶瓷材料，其具有发热量低，热稳定性好，抗张强度高，机械品质因数Q_m值高的优点，但该体系压电陶瓷材料的压电性能不够好，无法满足d₃₃≥270pC/N或K_p≥0.56。此外，清华大学李龙土等研究CeO₂掺杂下锑锰锑钴锆钛酸铅Pb[(Mn_1/3Sb_2/3)_x(Co_1/3Sb_2/3)_yTi_zZr_w]O₃得到较为优异的损耗特性，并得出CeO₂有助于晶粒细化和均匀的结论，但是其压电性能不是很理想。鞠超对大功率收发兼备型压电陶瓷配方Pb_0.94Sr_0.06(Zr_0.53Ti_0.47)O₃进行了掺杂改性，得出当掺杂物为0.10wt％(Ni₂O₃+Cr₂O₃)+0.05wt％MnO₂+0.30wt％CeO₂时，体系具有最佳压电和介电性能d₃₃＝338pC/N，K_p＝0.626，ε_r＝1260，tanδ＝0.38％，但是其机械品质因数Q_m仅有421。

综上，现有大功率压电陶瓷材料的压电性能或者损耗性能存在着缺点，不能广泛应用于大功率水声换能器件等领域。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有大功率压电陶瓷材料的压电性能或者损耗性能存在着缺点，不能广泛应用于大功率水声换能器件等领域的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种应用于水声换能器的压电陶瓷材料，其化学通式表示如下：