壓電陶瓷電介質(zhì)性能實驗探究目錄TOC\o"1-3"\h\u305691.1壓電陶瓷概述 258551.2.1壓電陶瓷的發(fā)展 2238321.2.2壓電陶瓷的應(yīng)用 378851.2高溫壓電陶瓷材料簡介 3220161.3.1鈣鈦礦結(jié)構(gòu) 3202591.3.2鎢青銅結(jié)構(gòu) 431891.3.3鉍層狀結(jié)構(gòu) 529441.3.4堿金屬鈮酸鹽結(jié)構(gòu) 655811.3BMT-PT高溫壓電陶瓷研究現(xiàn)狀 669851.4本文的研究思路及內(nèi)容 7116742實驗方法 978132.1引言 9255012.2樣品陶瓷的制備 9241872.2.1實驗所用原料 967512.2.2實驗設(shè)備 101052.2.3陶瓷制備工藝 10254972.2.4超聲波換能器的制造 1348152.3樣品的表征與性能測試 14288792.3.1結(jié)構(gòu)測試 14292102.3.2性能測試 15168402.4本章小結(jié) 16101743結(jié)果與討論 17183823.1陶瓷的密度 17161213.2陶瓷的介電性能 17112213.3陶瓷的壓電性能 2094313.4機電耦合系數(shù) 2058873.5機械品質(zhì)因數(shù) 2154243.6超聲波換能器的性能 2161633.7本章小結(jié) 22257804結(jié)論 2321988參考文獻 24壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和負壓電效應(yīng)。在通過外部機械力的一定方向的一些電介質(zhì)，它的內(nèi)部將可能有極化現(xiàn)象產(chǎn)生，其兩個相對的表面出現(xiàn)的正電荷和負電荷。撤去外部作用力，重新變?yōu)椴粠щ姷臓顟B(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。電荷極性會隨著力的方向的改變而變化。與此相對，當電介質(zhì)的極化方向上施加電場，電介質(zhì)發(fā)生變形，在去除電場后，電介質(zhì)的變形消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電的正逆效應(yīng)如下：圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11壓電陶瓷機理壓電陶瓷概述壓電陶瓷的發(fā)展1880年，居里兄弟皮爾（P·Curie）與杰克斯（J·Curie）在杰克斯的實驗室發(fā)現(xiàn)了壓電特性，他們發(fā)現(xiàn)對某種類型的晶體中施加壓力會產(chǎn)生電學性質(zhì)，這些晶體都具有各向異性REF_Ref20570\r\h[1]。十九世紀中后期，逆電壓效應(yīng)被他們兩人證實存在，在這過程中發(fā)現(xiàn)壓電常數(shù)與石英相同。十九世紀末，Voigt證明晶體壓電效應(yīng)產(chǎn)生的條件為具有二十個點群且沒有對稱中心。1914-1918年期間，科學家根據(jù)壓電效應(yīng)制出了水下超聲探測器并將其應(yīng)用在了戰(zhàn)爭當中。在1942-1945年，鈦酸鋇（BaTiO3）被發(fā)現(xiàn)具有異常高的介電常數(shù)和壓電特性，這是壓電歷史的很大一個進步，在BaTiO3被發(fā)現(xiàn)前人們以為只有壓電單晶材料，BaTiO3之后被證實還存在壓電多晶材料，也就是壓電陶瓷。在那之后，壓電陶瓷被廣泛使用。1947年，鈦酸鋇拾音器被發(fā)明出來，這是第一個壓電陶瓷制造的器件。1954年，壓電PZT固溶體系統(tǒng)被美國人發(fā)現(xiàn)，這是一個開創(chuàng)新紀元的事件，從那以后，終于可以將鈦酸鋇時期制造不出來的器件制造出來。之后不久，PLZT透明壓電陶瓷被成功制造出來，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)能應(yīng)用在光學領(lǐng)域，這再次擴大了壓電陶瓷的使用范圍。在1960和1970年代，出現(xiàn)了以鎬鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷。自1980年代末以來，弛豫鐵電體陶瓷被成功開發(fā)，為三維超聲波圖像的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷是一種新型的高技術(shù)無機非金屬功能材料，隨著研究的深入，壓電材料作為機械、電氣、聲學、光學、熱敏感材料，被頻繁應(yīng)用于傳感器、換能器、無損檢測和通訊技術(shù)等領(lǐng)域。隨著高科技的發(fā)展，壓電陶瓷對人們的生活將會有更多的影響，壓電陶瓷制成的產(chǎn)品或許將會隨處可見。對比壓電單晶材料，壓電陶瓷的一個很大的優(yōu)點是成本低，偏振軸方向可任意選擇；在能隨便制成各種形狀的同時制造方法十分簡單；陶瓷材料的成分也比較容易改變從而獲得具有各種特性的材料，適合大量生產(chǎn)?，F(xiàn)如今，耐高溫、耐高壓、高靈敏、低損耗的壓電陶瓷材料是當前研究人員研究的主要方向，由于含鉛陶瓷對環(huán)境會造成危害，人們目前大多集中于無鉛壓電陶瓷材料的研究，但無鉛壓電陶瓷的研究進展并不如人意，雖然研究人數(shù)眾多，但成果實用水平較差，無法進行商業(yè)化生產(chǎn)，短時間內(nèi)無法替代現(xiàn)有的含鉛壓電陶瓷。壓電陶瓷應(yīng)用在生活的方方面面。由于可以將極其輕微的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，在一些方面十分敏銳，故可在機械振動、氣象探測、遙測環(huán)境保護、家用電器等多個領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。它對外力及其敏銳，能感受到很遠地方的振動，可以制作出精準的壓電地震儀。它可以把力轉(zhuǎn)換成電能，然后將轉(zhuǎn)化的電能進行釋放，所以可用在像反坦克炮彈的高壓燃引爆上。在工業(yè)領(lǐng)域，壓電陶瓷可用來制造調(diào)頻濾波器，閃光燈觸發(fā)器，壓電變壓器等一些高技術(shù)的工業(yè)用品。在醫(yī)療領(lǐng)域，壓電陶瓷能制造盲人助視器，人造心臟起搏器，血壓計等，對人體內(nèi)的一些病癥也能用其制造出一些器械來進行診療。還有聲音轉(zhuǎn)換器、壓電引爆器、超聲換能器、防核護目鏡等都是壓電陶瓷的主要用途。超聲波換能器分為工業(yè)應(yīng)用和醫(yī)療應(yīng)用兩大類。本文主要介紹在超聲波換能器工業(yè)方面的應(yīng)用。主要制造水浸探頭。高溫壓電陶瓷材料簡介鈣鈦礦結(jié)構(gòu)具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電壓電陶瓷屬于ABO3型氧八面體，其中A為一價或二價金屬離子，而B為四價或五價金屬。半徑較大的A正離子，半徑較小的B正離子和氧離子分別位于晶胞格子的頂角，體心和面心。氧八面體共頂點連接，形成三維網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)比共邊、共面連接更為穩(wěn)定。如圖1.2所示。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的離子半徑匹配應(yīng)滿足以下關(guān)系式：R其中RA、RB、本文將要探討的BMT-PT壓電陶瓷同樣是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s12鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鎢青銅結(jié)構(gòu)鐵電體中部分以鎢青銅型（TB）結(jié)構(gòu)存在REF_Ref21037\r\h[2]，這些晶體機械性能良好，熔點性高，不溶于水，具有光學透明性。鎢青銅結(jié)構(gòu)有兩種：四方晶系和斜方晶系。鎢青銅結(jié)構(gòu)的單元原胞沿C軸方向頂角相連構(gòu)成整個原胞的基本框架，包含10個氧八面體。斜方晶系的鎢青銅型結(jié)構(gòu)是沿四邊形單元的對角線進一步形變而造成。實際研究中更多的是研究四方鎢青銅結(jié)構(gòu)。這種四方結(jié)構(gòu)最明顯的特征就是包含的BO6八面體之間的頂角互相連接，晶胞結(jié)構(gòu)如圖1.3所示：圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s13鎢青銅結(jié)構(gòu)偏鈮酸鉛（PbNb2O6，簡寫為PN）是最早被合成的鎢青銅結(jié)構(gòu)鐵電體REF_Ref31516\r\h[3]，在室溫下分為鐵電相和三方非鐵電相兩種相，三方非鐵電相在1200℃會轉(zhuǎn)化為四方相REF_Ref21037\r\h[2]。合成PN材料后，一般會在燒結(jié)過程中通過快速冷卻或淬火來獲得穩(wěn)定的鐵電相。但在燒結(jié)和冷卻過程中因為相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變及晶體的異常生長，會導致急冷時產(chǎn)生裂紋，致密度下降及極化困難導致壓電性能較差等問題，因此制備困難REF_Ref2793\r\h[4]。鉍層狀結(jié)構(gòu)1949年，鉍層狀結(jié)構(gòu)由AurivilliusREF_Ref6073\r\h[5]等發(fā)現(xiàn)，到上世紀70年代為止，該族被發(fā)現(xiàn)的化合物已超過50多種。由二維的鈣鈦礦和（Bi2O2)2+層按一定規(guī)律共生排列鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物形成，它的化學通式為（Bi2O2)2+（Am-1BmO3m+1）2-，其中，A為Pb2+、Sr2+、Ca2+、Na+等適合12配位的+1、+2、+3、+4價離子或由他們組合成的復(fù)合離子，B為Cr3+、Zr4+、Ti4+、Nb5+、Mo6+等適合八面體配位的離子或它們組成的復(fù)合離子。m（整數(shù)）即為鈣鈦礦層的層數(shù)。鉍層狀結(jié)構(gòu)的陶瓷因為其特殊的層狀結(jié)構(gòu)，導致其具有介電常數(shù)、燒結(jié)溫度和老化率低、電阻率和居里溫度高、介電擊穿強度大的特點。但它有兩個較大的缺陷：一是壓電活性不高，甚至偏低，這是最大的缺陷；二是Ec高，對極化會造成影響。針對這些缺點，一些研究者通過摻雜改性研究改善材料性能，一些研究者則通過物理法和化學法來獲得織構(gòu)有序的陶瓷。然而無論采用哪種改性方法，由于本身鉍層狀結(jié)構(gòu)的限制，都無法從根本上提高其壓電性能，故也無法大規(guī)模的進行推廣應(yīng)用。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s14鉍層狀結(jié)構(gòu)堿金屬鈮酸鹽結(jié)構(gòu)氧八面體以共面形式重疊。1959年，美國研究員研究了KNbO3-NaNbO3陶瓷的壓電性，從這以后，開始了堿金屬鈮酸鹽陶瓷的研究REF_Ref19089\r\h[6]。堿金屬鈮酸鹽體系中最具代表的是鈮酸鋰（LiNbO3)REF_Ref31516\r\h[3]。鈮酸鋰是如今居里溫度最高和自發(fā)極化最大的鐵電晶體。與PZT等其它含鉛壓電陶瓷相較，堿金屬鈮酸鹽陶瓷具有介電常數(shù)小，壓電性能高，頻率常數(shù)高，密度低的特點。但是因為Na、K、Li等原子在高溫下易揮發(fā)，因此高密度的陶瓷很難用普通的陶瓷燒結(jié)工藝制成。BMT-PT高溫壓電陶瓷研究現(xiàn)狀2001年，Eitel等通過固相法合成了新型鈣鈦礦體系Bi(Me)O3-PbTiO3，這種新體系具有高的Curie點，其中Me3+為Sc，Y，Yb等半徑相對較大的陽離子REF_Ref30195\r\h[7]。(1-x)BiScO3-xPbTiO3固溶體系研究發(fā)現(xiàn)，在同構(gòu)相界附近，居里溫度可達到450℃左右，壓電系數(shù)d33接近450pC/N左右，與PZT相比，更適合高溫下使用。2003年，RandallREF_Ref32020\r\h[8]等REF_Ref21824\r\h報道了（1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3體系，他們首先在1400℃下合成MgTiO3，然后在850℃下合成（1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3體系。燒結(jié)同樣采用先在1100℃～1150℃下燒結(jié)，然后在1050℃下熱等靜壓在氬氣和氧氣氣氛中燒結(jié)。他發(fā)現(xiàn)這種體系的準同型相界在0.36<x<0.38之間，居里點在450℃左右，壓電系數(shù)d33常溫下可達220pC/N左右，矯頑場在50kV/cm左右，但該體系常溫下?lián)p耗較大，不利于利用。2004年，DuanREF_Ref32301\r\h[9]等利用固相法和溶膠-凝膠法合成了xBiInO3-（1-x)PbTiO3固溶體，經(jīng)過不同x值和不同預(yù)燒溫度下的系統(tǒng)相結(jié)構(gòu)對比后，得到該體系的固溶極限為x=0.25。2007年，MoureREF_Ref32432\r\h[10]等人在Randall課題組的研究基礎(chǔ)上，用傳統(tǒng)陶瓷工藝制備了BMT-PT陶瓷，并對BMT-PT體系中組分在（0.38<x<0.42)的區(qū)間進行了深入研究，推測400℃鐵電相向另一種鐵電相轉(zhuǎn)變會導致介電異常峰的出現(xiàn)。2011年，張強等REF_Ref13956\r\h[11]對BMT-PT體系中的MBP組分進行了研究，發(fā)現(xiàn)BMT-0.38PT在330℃以前能擁有良好的溫度穩(wěn)定性，居里溫度為430℃，壓電常數(shù)為220pC/N，解釋了第一個異常峰出現(xiàn)是因為鐵電——順鐵相轉(zhuǎn)變，第二個異常峰是由于樣品中氧空位的空間極化導致的。2013年，劉蘇娟等REF_Ref14769\r\h[12]人通過標準的電子陶瓷制備工藝制備了BMT-PT陶瓷，對準同型相界附近組分（0.31<x<0.39）進行了研究。通過高溫衍射研究對兩個介電異常峰的出現(xiàn)做了進一步解釋。本文的研究思路及內(nèi)容壓電陶瓷是具有壓電效應(yīng)的陶瓷。當被施加一個較小的外部力量時，可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，而施加上交流電壓時，則會將電能轉(zhuǎn)化為機械能。因為這種特性，壓電陶瓷被應(yīng)用在各方面。例如在交流電壓的作用下，壓電陶瓷可以產(chǎn)生或接受各種頻率的聲波，因此可用于制作水下雷達、魚群探測器等。還可以用它制成微型、高靈敏度的壓電陀螺儀，除此之外，還能制成超聲波換能器，聲納、壓電引爆器等。近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，能源、航天、汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω邷貕弘姴牧系男枨笕找婕逼龋偟膩碚f，為了保證使用的穩(wěn)定性，壓電陶瓷的溫度適用范圍一般被限制在居里溫度的一半左右，這就導致工作溫度范圍高，性能良好的壓電陶瓷材料十分少，即使有，也大多價格昂貴，無法在市面上批量生產(chǎn)，因此導致對性能優(yōu)異，居里溫度高的壓電陶瓷材料越發(fā)渴求。因此如何研究出低成本，性能優(yōu)良的高溫壓電陶瓷已成為當務(wù)之急。鈣鈦礦材料是當前研究的熱點。鈣鈦礦材料是當前應(yīng)用最廣泛，最常見的一種材料。從理論上講，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物具有較高的氧化還原，水解，異構(gòu)化，電催化等活性，且具有獨特的電磁性能，晶體結(jié)構(gòu)與其他材料相比十分穩(wěn)定，因此在催化領(lǐng)域和環(huán)保領(lǐng)域具有巨大的潛力。鈣鈦礦復(fù)合氧化物經(jīng)過摻雜后會形成晶體缺陷，隨之會導致性能發(fā)生改變，這就讓它形成了一種與其它材料不同獨特的晶體結(jié)構(gòu)，這致使它成為了燃料電池，物理、化學等諸多領(lǐng)域的研究熱點。鉍基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的（1-x）Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3因其較高的居里點，良好的壓電性能，較低的成本，具有很高的研究價值。本文研究鉍基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的（1-x）Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3壓電材料，主要在2003年由RandallREF_Ref32020\r\h[8]等首次報道。它具有居里點高，壓電性能好的特點。關(guān)于該種體系材料，目前雖然有很多相關(guān)的研究，但對于材料的制備及性能表征卻還沒有系統(tǒng)的表述。本文主要通過制備0.58Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.42PbTiO3壓電陶瓷，再利用制備出來的壓電陶瓷進行超聲波換能器的制備研究。論文中的研究工作主要包含以下幾個方面：實驗過程中采用標準電子陶瓷制備方法，制備純相的BMT-PT體系的壓電陶瓷。并分別對壓電陶瓷的燒結(jié)性能，耦合系數(shù)，介電性能，壓電性能進行研究。利用制備好的純相BMT-PT壓電陶瓷片，采用相關(guān)工藝制造了水浸超聲波換能器，并對制備好的超聲波換能器進行性能的測試與研究。

實驗方法引言傳統(tǒng)電子陶瓷的制備方法主要有三種:化學法、水熱法及固相反應(yīng)法。溶液-凝膠法是化學法中最為典型的制備方法。溶液凝膠法是使溶膠凝膠化，凝膠干燥后再制備得到納米粉體REF_Ref24274\r\h[13]。反應(yīng)過程中以離子態(tài)進行，制備出的材料顆粒大小均一，與固相法相比，反應(yīng)容易進行，溫度較低。選擇合適的條件可以制備各種新型材料。受到許多研究者的喜愛。然而，溶膠凝膠法也存在缺點：凝膠中存在微孔，在干燥過程中容易產(chǎn)生氣體及有機物，并進行收縮；原料貴，有些原料為有機物，會對健康造成危害；溶膠－凝膠過程時間長，常花費幾天甚至幾周的時間；故在實際應(yīng)用中也受到制約。此外，水熱法因為易調(diào)節(jié)、易控制、低溫成相等優(yōu)點，也是一種制備材料的熱門手段。但同樣由于其成本高，設(shè)備要求高，導致實際生產(chǎn)中得不到更多應(yīng)用。本文選擇采用固相反應(yīng)法制備BMT-PT壓電陶瓷。固相反應(yīng)法操作簡單便捷，生產(chǎn)效率高，是最成熟，應(yīng)用最廣泛的制備方法。超聲波換能器是頻率與共振頻率相同的壓電陶瓷，依據(jù)壓電效應(yīng)，將輸入的電能轉(zhuǎn)換為機械振動，自己本身僅耗費很小一部分功率。通常，由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波，將由超聲波換能器轉(zhuǎn)換成機械振動，然后經(jīng)過超聲波輸出裝置，超聲波接收裝置便可以產(chǎn)生超聲波。超聲波換能器主要包括外殼、匹配層、壓電陶瓷芯片、背襯、引出電纜、接收器等六大部分構(gòu)成。本章主要介紹了制備BMT-PT陶瓷的原料，設(shè)備，工藝流程，對介電、壓電等性能的研究以及水浸超聲探頭的制作。樣品陶瓷的制備實驗所用原料本文主要使用固相反應(yīng)法制備BMT-PT高溫壓電陶瓷，因為原料的顆粒度，均勻度和純度直接影響陶瓷試樣的結(jié)構(gòu)和性能，為了減少原料的影響，實驗主要采用純度高，粒度細的金屬氧化物為原料。表2.1為實驗所需原料的名稱，純度。表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11實驗原料表原料名稱化學式分子量純度氧化鉍Bi2O3465.9699％碳酸鎂MgCO384.3198.5％二氧化鈦TiO279.8898.5％四氧化三鉛Pb3O4685.699.92％實驗設(shè)備表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s12實驗設(shè)備表設(shè)備分析天平行星式球磨機電熱鼓風干燥箱粉末壓片機阻抗分析儀準靜態(tài)d33型號JA12002QM-1SP4101-05XLB-QHP4194AZJ-3AN陶瓷制備工藝BMT-PT系陶瓷的制備工藝及性能測試流程如圖2.1所示：圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11陶瓷制備工藝流程（1）配料計算電子陶瓷實驗過程的配料，主要是根據(jù)要合成的化合物的化學分子式計算配比，本文中根據(jù)0.58Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.42PbTiO3來進行原料配比的計算。一般來說，原料在稱量前需充分干燥，以此除去吸附的水分。一般在110℃干燥四小時以上。實驗稱量要迅速，準確，遵循兩頭大，中間小的質(zhì)量原則REF_Ref28878\r\h[14]。本文實驗采用精度0.01g的天平進行稱量。（2）一次球磨一次球磨主要目的是為了原料均勻混合并充分接觸，以促進原料在預(yù)燒過程中充分的化學反應(yīng)。本文實驗一次球磨采用的設(shè)備為行星式球磨機，將無水乙醇，研磨球，原料按2：2：1的比例放入球磨機罐中，并將球磨機以270r/min的轉(zhuǎn)速球磨12h。球磨后，將磨好的漿料放入65℃的干燥箱內(nèi)烘干，然后在研缽中手動將其磨勻。（3）預(yù)燒預(yù)燒（也稱為合成）是一種過程，通過加熱，生料中的原子或離子會發(fā)生固相化學反應(yīng)，在原料中進行一定的擴散。預(yù)燒一是為了讓原料進行充分反應(yīng)，生成固定的固溶體，形成主晶相。其次，為了消除原料中的二氧化碳和水，減少燃燒時坯體的收縮，變形，以控制產(chǎn)品的尺寸。本文在900℃進行預(yù)燒，保溫2小時。（4）二次球磨將上一步預(yù)燒好的粉料放入球磨罐中繼續(xù)球磨12h。處理步驟與步驟(2)類似。（5）造粒造粒是將粉料混入粘結(jié)劑后，制成細密均勻，流動性較好的顆粒。本文實驗采用的粘結(jié)劑是濃度為7％的PVA（聚乙烯醇）。將處理好的粉料稱出80g放入研缽中，加入5.6mL的PVA溶液，手工磨勻，過30目/吋篩。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12造粒好的粉料（6）壓片成型每次稱量1.2g粉料，將粉料放入直徑為15mm的磨具中，采用單面加壓的方式，在200MPa的壓力下保持5s左右，得到直徑為15mm，厚約1.5mm的圓片樣品。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s13壓片成型（7）排塑、燒結(jié)排塑的目的是為了排除粘結(jié)劑，防止粘結(jié)劑在燒結(jié)時因為大量溶解，揮發(fā)而導致胚體變形、開裂和形成較多的氣孔。200℃～500℃是粘結(jié)劑集中揮發(fā)的階段。燒結(jié)是生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵步驟。燒結(jié)過程中排出氣體，收縮體積，提高強度和致密度。良好的燒結(jié)溫度能讓陶瓷擁有更好的性能。實驗中為了讓粘結(jié)劑更好的揮發(fā)，設(shè)定排塑溫度為12小時內(nèi)從室溫升到500℃。本文實驗燒結(jié)溫度為1000℃、1030℃、1060℃、1090℃和1120℃，燒結(jié)時將排膠好的陶瓷圓片排成一排放置在坩堝中，以造粒粉作為墊料，放入燒結(jié)爐內(nèi)。設(shè)定溫度曲線，等溫度達到燒結(jié)溫度后保溫1小時，再在200分鐘內(nèi)降低到850℃后自然冷卻。（8）燒銀電極，極化燒銀電極是在陶瓷樣品打磨成1mm厚度后，在上下兩層涂上細密的、導電性好的銀層后放入燒結(jié)爐中燒結(jié)。極化則是為了讓陶瓷樣品呈現(xiàn)出壓電性，在陶瓷樣品上施加直流電場，讓陶瓷中的鐵電疇沿電場方向進行排列。本文實驗采用高溫至750℃的銀漿，用毛筆將銀漿涂附在陶瓷片的兩面，為了讓銀漿牢牢吸附在陶瓷片上，每次涂敷結(jié)束放入烘箱中在160℃下干燥15分鐘后進行下一次涂敷，每面涂敷兩次。涂附完成后放入750℃的燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。達到燒結(jié)溫度后保溫半小時，自然冷卻。燒結(jié)完成后用磨砂紙去除厚度方向沾染的銀漿，防止短路。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s14涂覆銀漿極化采用高溫油浴極化，以硅油為絕緣媒質(zhì)，140℃的油溫下預(yù)熱兩小時后在4KV/mm的電場強度下進行極化。超聲波換能器的制造超聲波換能器主要包括外殼、匹配層、壓電陶瓷芯片、背襯、引出電纜、接收器等六大部分構(gòu)成。本文實驗主要制造頻率為2MHz、5MHz的水浸探頭換能器。首先根據(jù)要制造的頻率及陶瓷片的厚度諧振計算出對應(yīng)頻率陶瓷片的厚度分別為1mm、0.39mm，選擇1000℃下燒結(jié)好的BMT-PT陶瓷片磨成相應(yīng)厚度后固定在載玻片上，在陶瓷片上焊上芯纜，套上內(nèi)存套固定好。將調(diào)制好的背襯倒入內(nèi)存套中，傾斜放置直至固化，放入45℃烘箱內(nèi)干燥12小時。用挫刀在內(nèi)存套側(cè)邊挫一個凹槽，在背襯上方對應(yīng)凹槽的位置放置一個線路板，焊上銅箔和地線。套上外殼，根據(jù)頻率計算出聲學匹配層的厚度為0.33mm，0.25mm，在室溫下待膠水固化好后放45℃烘箱內(nèi)12小時后即可。樣品的表征與性能測試結(jié)構(gòu)測試（1）密度測試根據(jù)阿基米德定律F浮ρ其中，G0：干燥樣品在空氣中的質(zhì)量，G1：樣品充分吸水后在水中的質(zhì)量，本文實驗每個燒結(jié)溫度下取六片燒結(jié)好的樣品，先用天平稱量出樣品在空氣中的質(zhì)量，然后稱量充分吸水后在水中的質(zhì)量，根據(jù)吸水后水中的質(zhì)量計算出體積，最后根據(jù)公式計算分別計算出密度。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s15密度測量性能測試介電性能陶瓷試樣的介電性能一般用介電常數(shù)和介電損耗來表示。介電常數(shù)是全面反映電介質(zhì)材料的介電性質(zhì)或極化行為的一個宏觀物理量。介電強度主要被致密度、晶粒尺寸和缺陷結(jié)果影響REF_Ref29688\r\h[15]。介質(zhì)損耗主要是由極化弛豫和介質(zhì)漏電引起的。ε0為真空介電常數(shù)，其值為8.85×10-12F/m。本文根據(jù)公式來計算陶瓷試樣的相對介電常數(shù)。ε其中，h為樣品的厚度，單位cm，c為樣品的電容，單位為pF，d為樣品直徑,單位cm。壓電性能壓電陶瓷具有壓電性，包括正壓電性和負壓電性。一般用壓電常數(shù)d33本文實驗過程中采用ZJ-3AN型準靜態(tài)d33測量儀。機電耦合系數(shù)機電耦合系數(shù)k是表征壓電材料的機械能與電能相互轉(zhuǎn)換能力及衡量材料壓電強度的重要參數(shù)之一。k越大，說明壓電材料相互耦合的能力越強。但由于轉(zhuǎn)化不完全，k總是小于1的。很多壓電器件的性能指標，如壓電濾波器的帶寬、壓電變壓器的升壓比、叉指換能器的輻射阻抗等，都直接與機電耦合系數(shù)有關(guān)REF_Ref15145\r\h[16]。K的形式還與壓電陶瓷的振動形式有關(guān)，即使同一壓電試樣中，不同的振動方式也會導致出現(xiàn)不同的K值。本文主要測試了徑向耦合系數(shù)Kp和厚向耦合系數(shù)Kt。計算公式如下：KKfp:徑向諧振（kHz）fs:徑向反諧振（kHz）fr機械品質(zhì)因數(shù)機械品質(zhì)因數(shù)Qm值代表壓電體在共振過程中克服內(nèi)部摩擦所消耗的能量。機械品質(zhì)因數(shù)Qm值反映壓電材料的機械損耗的大小，機械損耗越小，QQR:阻抗(Ω)C:電容（pF）本章小結(jié)（1）介紹了文中實驗所需的原料、設(shè)備及具體的制備工藝流程。并對本文具體的實驗情況做了詳細描述。（2）對超聲波換能器的制造組裝做了一個簡要介紹。（3）介紹了本文實驗樣品性能測試方法，并對測試后如何進行數(shù)據(jù)處理做了一個簡要介紹。

結(jié)果與討論陶瓷的密度表3.SEQ表\*ARABIC\s110.58BMT-PT陶瓷不同燒結(jié)溫度下的體密度和燒結(jié)收縮率燒結(jié)溫度（℃）10001030106010901120體密度（g/cm3）7.037.787.677.4026.78燒結(jié)收縮率（％）14.5314.814.7314.6014.47表3.1是0.58BMT-0.42PT陶瓷樣品在不同燒結(jié)溫度下的體密度和燒結(jié)收縮率，由表可以看出，最開始樣品的體密度隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，在1030℃時達到最大，隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品的體密度逐漸降低，這可能是因為燒結(jié)溫度過高，Bi3+、Pb2+揮發(fā)嚴重，影響了陶瓷致密性。陶瓷的介電性能圖3.1為0.58BMT-0.42PT陶瓷樣品不同燒結(jié)溫度下的介電系數(shù)和介電損耗變化曲線。測試頻率為1kHz。其中圖a為1000℃燒結(jié)溫度，圖b為1030℃燒結(jié)溫度，圖c為1060℃燒結(jié)溫度，圖d為1090℃燒結(jié)溫度，圖e為1120℃燒結(jié)溫度。 a b C d e 圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s110.58BMT-0.42PT陶瓷樣品燒結(jié)溫度對介電系數(shù)和介電損耗的影響由圖3.1可以看出，從1000℃到1120℃都存在明顯的介電峰，介電峰值位于8500～17000之間，且介電峰的范圍基本在500℃～550℃之間。但由于燒結(jié)溫度的不同，介電峰對應(yīng)的居里溫度點也不同。圖a的介電峰大約在540℃左右，介電損耗從440℃以后迅速增加；圖b的介電峰大約位于520℃，介電損耗420℃以后急速增加；圖c和圖d介電峰都在515℃左右，而圖e的介電峰在500℃左右。對比圖a、b、c、d和e可看出，隨著燒結(jié)溫度的增加，峰形逐漸寬化，且峰位向低溫移動。由電解質(zhì)理論可知，電介質(zhì)體密度的減少（表3.1）會導致單位體積內(nèi)極化粒子數(shù)減少，并且，由于PbO的揮發(fā)，導致材料中大量的鉛空位產(chǎn)生，Pb2+的減少也會導致對介電異常貢獻減少，從而導致介電常數(shù)變小。而鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)主要為ABO3型，PbO揮發(fā)的主要是Pb2+，Pb2+在ABO3結(jié)構(gòu)中占據(jù)A離子空位，Pb2+的揮發(fā)就會導致周圍的氧八面體處于壓縮狀態(tài)，處于氧八面體中心的鈦離子就會受到限制，甚至PbO揮發(fā)嚴重的地方會使微區(qū)喪失鐵電性。這種非鐵電性微區(qū)能將由于鐵電疇相變而產(chǎn)生的應(yīng)力進行緩解，并引起居里溫區(qū)的明顯擴張。即圖中3.1a-3.1e的變化——升高燒結(jié)溫度，居里峰寬化明顯REF_Ref13954\r\h[17]。同時由圖3.1可以看出，五個燒結(jié)溫度的樣品，介電損耗都隨溫度的升高而變大，尤其在400℃以后，介電損耗突然增大，這可能是因為溫度過高，材料漏導增大從而導致?lián)p耗過大。也有可能是松弛極化導致?lián)p耗產(chǎn)生。陶瓷的壓電性能圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s120.58BMT-0.42PT陶瓷樣品不同燒結(jié)溫度下的壓電常數(shù)變化曲線圖3.2給出了0.58BMT-0.42PT陶瓷樣品不同燒結(jié)溫度下的壓電系數(shù)的變化情況。陶瓷樣品的極化溫度為：140℃，4KV/mm，15min。由圖可以看出，壓電常數(shù)隨著燒結(jié)溫度的增高而先增加后減小。燒結(jié)溫度為1000℃時壓電常數(shù)最大，為178pC/N，說明壓電性能最好。但隨著燒結(jié)溫度的升高，壓電常數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，從1060℃的168pC/N降到了1120℃的112pC/N。從實現(xiàn)BMT-PT體系高的壓電性能來看，1000℃燒結(jié)較為合適。直流電場下偶極子的旋轉(zhuǎn)情況對壓電性能有著重要的影響，晶粒尺寸小，晶界層多時，由于占據(jù)整個晶體體積比例較大，就會約束偶極子旋轉(zhuǎn)，壓電性能就會降低。所以要想提高壓電性能，可以增大晶粒尺寸。機電耦合系數(shù)表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12不同燒結(jié)溫度下的機電耦合系數(shù)燒結(jié)溫度（℃）1000℃1030℃1060℃1090℃1120℃Kp0.2860.2740.2720.2480.235Kt0.4540.4090.4410.350.328表3.2是0.58BMT-0.42PT陶瓷樣品在不同燒結(jié)溫度下的Kp和Kt值。由表可以看出，燒結(jié)溫度1000℃時機械能與電能相互耦合能力最強，Kp、Kt最大，分別為28.6％和45.4％。但隨著燒結(jié)溫度的增加，機電耦合系數(shù)逐漸減小。但可以看出，無論什么燒結(jié)溫度，機電耦合系數(shù)總是小于1的。機械品質(zhì)因數(shù)表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s13不同燒結(jié)溫度下的機械品質(zhì)因數(shù)燒結(jié)溫度（℃）1000℃1030℃1060℃1090℃1120℃Qm31.230.2731.4129.4529.73表3.3為不同燒結(jié)溫度下的機械品質(zhì)因數(shù)。一般來說，不同的探頭對壓電陶瓷的機械品質(zhì)因數(shù)要求也不同。但總的來說，機械品質(zhì)因數(shù)越大，能量損耗越小。由表可以看出，燒結(jié)溫度為1060℃時，BMT-PT壓電陶瓷的Qm最大，為31.41。超聲波換能器的性能圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s132MHz水浸探頭脈沖寬度和帶寬圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s145MHz水浸探頭脈沖寬度和帶寬由圖3.3可知，該探頭的標稱頻率是2MHz，實測峰值頻率為1.834MHz，帶寬為60.65％，脈沖寬度0.926us。由圖3.4可知，該探頭的標稱頻率是5MHz，實測峰值頻率為4.627MHz，帶寬為49.98％，脈沖寬度為0.402us。從上面兩個探頭的參數(shù)來看，雖然兩個探頭的峰值頻率與標稱頻率有著頻率誤差，但在規(guī)定誤差允許的范圍內(nèi)（≤±10％）之內(nèi)，對檢測結(jié)果沒有影響。2MHz的探頭的帶寬為60.65％，帶寬越寬，說明分辨率高，檢測靈敏度也更高。有效頻帶窄，則分辨率低，但加寬頻帶可能會導致靈敏度的降低。5MHz的脈沖寬度為0.402us，屬于窄脈沖探頭。窄脈沖探頭可以提高分辨率，減小盲區(qū)。本章小結(jié)本章主要對0.58BMT-0.42PT在不同燒結(jié)溫度下的體密度、燒結(jié)收縮率、介電性能、壓電性能、機電耦合系數(shù)、機械品質(zhì)因數(shù)和兩個不同頻率的超聲波換能器的性能做了研究。得到以下實驗結(jié)論：（1）0.58BMT-0.42PT的陶瓷樣品在不同燒結(jié)溫度下的體密度不同，隨著燒結(jié)溫度的增加，可能由于Bi3+和Pb2+的揮發(fā)，使體密度逐漸下降。（2）由介電溫譜可以看出，不同燒結(jié)溫度的陶瓷樣品的介電峰值不同，總的范圍位于8000～17000之間；居里溫度點也存在不同，范圍在500℃～550℃之間。隨著燒結(jié)溫度的增加，峰形逐漸寬化，峰位向低溫移動。（3）燒結(jié)溫度為1000℃時壓電常數(shù)最大，為178pC/N。但隨著燒結(jié)溫度的升高，壓電常數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢。（4）燒結(jié)溫度1000℃時機械能與電能相互耦合能力最強，Kt達45.4%。燒結(jié)溫度為1060℃時，BMT-PT壓電陶瓷的Qm最大，為31.41。（5）2MHz的探頭的-6dB帶寬為60.65％，脈沖為0.926us，5MHz的-6dB帶寬49.98％，脈沖為0.402us。

結(jié)論本文以0.58BMT-0.42PT體系陶瓷為研究對象，系統(tǒng)的研究了不同燒結(jié)溫度下對介電性能、壓電性能、機電耦合系數(shù)、機械品質(zhì)因數(shù)的影響和兩個不同頻率的超聲波換能器的性能。主要結(jié)論如下：（1）0.58BMT-0.42PT的陶瓷樣品在不同燒結(jié)溫度下的體密度不同，體密度先增加后減小，在1030℃時達到最大，且1030℃時燒結(jié)收縮率也達到最大。1030℃以后，隨著燒結(jié)溫度的增加，可能由于Bi2O3和PbO的揮發(fā)，體密度逐漸下降。燒結(jié)收縮率也逐漸下降。（2）0.58BMT-PT陶瓷試樣的燒結(jié)溫度主要為1000℃、1030℃、1060℃、1090℃和1120℃。由介電溫譜可以看出，不同燒結(jié)溫度的陶瓷樣品的介電峰值不同，總的范圍位于8000～17000之間；居里溫度點也存在不同，范圍在500℃～550℃之間。隨著燒結(jié)溫度的增加，峰形逐漸寬化，峰位向低溫移動。燒結(jié)溫度為1000℃時壓電常數(shù)最大，為178pC/N。但隨著燒結(jié)溫度的升高，壓電常數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢。燒結(jié)溫度1000℃時機械能與電能相互耦合能力最強，Kt達45.4%。燒結(jié)溫度為1060℃時，BMT-PT壓電陶瓷的Qm最大，為31.41。（3）2MHz的探頭的脈沖為0.926us，-6dB帶寬為60.65％，帶寬較寬，說明分辨率較高。5MHz的-6dB帶寬為49.98％，脈沖為0.402us，脈沖窄，其近場和遠場的分辨率較好。但一般來說，加寬帶寬必將降低靈敏度，因此在選擇換能器時，應(yīng)綜合兩方面因素來考慮。

參考文獻桂世功.壓電加速度計與壓電材料[J].測控技術(shù)，1986，20（2）：44-54張高科，吳伯麟，歐陽世翁.鎢青銅結(jié)構(gòu)鈮酸鹽晶體的分子設(shè)計及摻雜[J].材料導報，1997，11（3）：29-32劉濤，馬衛(wèi)兵.BMT-PT基壓電陶瓷的研究[D].天津：天津大學，2010劉守德，劉福田，