PMN基电致伸缩材料的研究 温建强

2012年第 3 期 声学与电子工程 总第 107 期

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PMN 基电致伸缩材料的研究

温建强

(中国科学院声学研究所，北京，100190)

摘要 在常规电子陶瓷制作方法的基础上，根据相容因子的考虑，结合热力学和动力学理论，通过不同掺杂离子的引入调节性能，优化工艺条件，制备出良好性能的电致伸缩材料，并仿真计算了相应的换能器。研究表明，碱土金属的添加，可以有效避免焦绿石相的出现，而不同的原料、温度、时间等工艺条件也影响PMN 基电致伸缩材料性能。在反复多次实验的基础上，优化出性能较为优良的材料，测试表明，PMN 电致伸缩材料的相对介电常数高达10000以上，介电损耗3％左右，电致回线的测试表明，PMN 基电致伸缩材料的电致应变量大，偏场电压在2000 V/mm 时，应变量到达0.8×10－

3，远高于PZT 压电材料的应变量，为研

制高性能的换能器打下了良好条件。

关键词 电致伸缩；换能器；大形变

换能器技术的突破根本上取决于新型换能器材料的革新换代。毫无疑问，新型换能器材料的研制将为水声换能器及声呐装备的发展创造条件。随着水声探测技术的快速发展和水声通讯技术的不断提高，我们需不断努力探索研制新型的换能器材料才能满足高性能换能器的发展在设计空间上提出的更多和更高的要求[1]。本研究开展的是PMN （铌鎂酸）基电致伸缩材料的研究，旨在探索新型换能器用的潜在功能材料，其内容包括PMN 基电致伸缩材料的合成制备方法，通过添加物的引入来调节性能，优化工艺条件，制备性能良好的电致伸缩材料，并试制相应的换能器。

1电致伸缩材料的研制

电致伸缩材料是应变量与电场强度的平方成正比的一类功能材料。大多数材料的电致伸缩率都很小，往往可以忽略不计。研究表明，具有良好的电致伸缩率的是弛豫型铁电体。近年来，美国海军倡导研制了在低频大功率发射换能器上具有很好发展前途的PMN 基电致伸缩材料[2]。Craig 等人研究用大形变的PMN 基的电致伸缩材料制作Ⅳ型弯张换能器[3]。

基于对新型功能材料的探索研制，近来我们对PMN 基电致伸缩材料开展了一些应用基础研究工作，研究对象选定的是自行合成的添加碱土金属离子的改性PMN 基电致伸缩材料。其内容包括PMN 基电致伸缩材料的合成制备方法，通过添加物的引入尝试材料性能的调节改善，优化工艺条件，最终制备了性能良好的电致伸缩材料。

根据相容因子的考虑，选取碱土金属离子作为

添加剂引入到PMN 基材料中，旨在提高化学活化能的同时获取钙钛矿结构。在我们的PMN 基电致伸缩材料的制作过程中，首先利用常规的电子陶瓷技术合成由Mg 和Nb 金属组成的化合物，再与其他元素二次化学而成PMN 基电致伸缩材料，其中改性元素引入的是碱土金属，同时试验中还针对不同原料、烧结温度和烧结时间对PMN 的性能影响进行了试验。由于PMN 钙钛矿相的动力学反应过程符合J-M-A 扩散动力学模型，并且可以分为两个阶段，消除焦绿石相的关键在于如何均衡PbO 、Nb 2O 5和MgO 三组分的反应活性，避免PbO 和Nb 2O 5的提前反应，不同的工艺条件极大地影响着PMN 材料的性能。适量地引入掺杂元素，在适当的烧结温度下，能获得单一钙钛矿相的煅烧粉体。从图1的X 衍射图中可以看出，合成的PMN 基电致伸缩材料为纯钙钛矿相。

图1 单一钙钛矿相的PMN 基粉体

研究中，我们对其试验样品进行了相关介电和电致应变性能的测量，并与PZT-5A 的压电材料进行比较，得到表1中的试验数据。

温建强：PMN基电致伸缩材料的研究

40 表1 PMN 基电致伸缩材料与PZT-5A 的性能比对

Material PZT-5A PMN K 33 0.705 0.3～0.5 d 33 /10-12C/N 374 480～720 εT 33/ε0 1700 ～

15000 Qe 75 ～

45

Energy Desity/J·m －3

～6000 ～220000

ρ/103 kg·m －3

7.75 7.3

从表1的对比结果我们可以看出，由于PMN

基电致伸缩材料中引入了适当的添加物，使得材料的表观压电常数d 33比PZT-5A 高很多，

介电常数大，此外能量密度的大大提高对制作较低频率、小尺

寸、大位移换能器是有意义的。

光纤传感器利用接收光强变化可以反应物体

的位移大小，

见图2

。

我们用MTI-2000光纤传感器测试了电致伸缩材料的电致应变曲线，如图3所示，在2000 V/mm 的电场下的应变量达到0.8×10-3，比PZT-5A 材料要高一个数量级，而且位移滞后小。由于电致伸缩材料在原理上类似于磁致伸缩材料，在制作方法上却更接近压电陶瓷，而且不需要极化，不会老化，很容易实现工程化应用。

图2 光纤传感器测位移的示意图

图3 PMN 材料的电致应变曲线

2电致伸缩换能器的研制

为了验证电致伸缩材料的高能量密度特性及尺寸小型化的能力，研究中设计了Cymbal 结构的换能器，见图4，结合未来应用目的考虑，鈸壳材质选用钢，PZT-8压电换能器阵元的厚度模谐振频率设计为70 kHz ，灵敏元件尺寸为Ф20 mm×2 mm ，考虑到结构的对称性，建立1/4有限元仿真模型，如图5所示。为了比对，PMN 基电致伸缩材料制作的换能器采用的是同尺寸、同结构形式。

图4鈸式换能器的结构示意图

图5 鈸式换能器水中有限元仿真模型

实际测试结果表明， PMN 基电致伸缩换能

器在1000 V/mm 的电场下获得的位移大小超过40 μm ，比PZT-8压电换能器高一个数量级。在水下发射响应的仿真计算中，PMN 电致伸缩换能器要比PZT-8压电换能器发射电压灵敏度响应上要高3 dB 左右（0 dB ＝1 V/pa ，1 m 处），见图6。这表明PMN 基电致伸缩换能器在大位移和强声源级方面有了很大的提高。

图6 鈸式换能器的水中发射响应的仿真

3小结

通过对以上PMN 基电致伸缩材料及其换能器

的实验研究，表明利用电致伸缩材料研制的换能器在位移振幅、声源级、发射电压响应等方面比普通压电陶瓷材料有较大改善。

（下转第43页）

熊育信 等：通信浮标控制电路的设计与实现

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图6 控制程序流程图

3结束语

对一种卫星通信浮标控制电路进行了设计，并详细分析了电路各部分的工作过程和功能。在多次的湖试和海试中，浮标的工作寿命和通信效率均达到了系统设计指标，从而证明了该方案的可靠性和实用性，因而具有很好的应用前景。

参考文献 ：

[1] Microchip. PIC16F877A datasheet[G]. 2003.

[2] 东方联星科技有限公司. GNS50 GPS OEM 接收机技术指标和接口定义[G]. 2009.

[3] 东方联星科技有限公司. BD_OEM 收发模块技术规格[G]. 2009.

（上接第40页）

进一步的研究开展如果能在降低材料的损耗、温度稳定性及其偏场上得到解决，有理由相信，性能优良的电致伸缩材料必将为大位移换能器的制作提供一种新的可能，并且在尖端技术、国防工业、航空航天领域中将会有广阔的应用前景。不仅会给水声换能器的研制提供更大的设计空间，同时还将适应主动振动控制、强振隔离体、航空航天、机器人、动力机械等快速制动控制的需要；此外，对于未来智能汽车和无人驾驶的高速运动物体的自身防撞保护系统、（包括外层空间在内的）高速飞行物的外表层防碰撞表面保护，以及制造新型高效防弹衣、防弹头盔（安全帽）等以及防次声和爆炸冲击波等的危害方面也将用到。

参考文献：

[1] RITTENMYER K. Electostrictive Ceramics for underwater transducer applications [J]. J Acoust Soc Am, 1994, 94(2): 849-856

[2] BROWN S, HOM C. Electromechanical testing and modeling of a Pb(Mg 1/3Nb 2/3)O 3-PbTiO 3-BaTiO 3 relaxor ferroelectrice [J]. J Am Ceram Soc, 1996, 79(9): 2271 [3] CRAIG H, NA TARAJAN S. Modeling nonlinearity in electrostrictive sonar transducers [J]. J Acoust Soc Am, 1998, 104(4): 1903。