铅基压电陶瓷的应用总结
1、PMN-PT驰豫铁电单晶及其超声换能器性能研究---无机材料，
2001，11---李国荣, 罗豪匙, 殷庆瑞中国科学院上海硅酸盐研究所无机功能材料开放实验室,
本实验室利用Bridgemnt方法已成功制备出可实用的大尺寸PMN-PT压电单晶，用这种新型的压电材料成功地获得了高分辨率的电
声像。为材料研究者提供一些有关PMN-PT超声换能器性能, 有助改善
材料性能来提高压电器件性能, 同时也向应用研究者展示了PMN-PT
单晶的优越压电和机电性能使我国不仅在PMN-PT驰豫铁电单晶材料制
备和研究, 而且在PMN-PT相关的压电器件研究也能处在国际领先的水
平。（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)—xPbTiO3驰豫铁电单晶材料高的压电和
机电耦合系数d33—3000/N，K P---94% 已远远超出目前使用的压电材料, 是50年来铁电领域中具有重大突破的新型材料, 可望大大提高压电器
件在医学超声成像、水下声纳、无损检测、固态大位移量压电驱动器
等的性能。
2、PMN-PT 单晶及其在高频换能器中的应用研究
刘大安*，陈景，周丹，赵祥永，罗豪甦
中国科学院上海硅酸盐研究所
研究了PMN-29%PT 新型弛豫铁电单晶的长度伸缩振动模式在其最佳切型下的介电、
压电和弹性系数随温度的变化。对于长度伸缩振动模式，当温度从室温升高到80℃时，机
电耦合系数k31 从91.0%增加到93.5%，压电应变系数d31 从1900pCN-1 增加到4500pCN-1 。
当温度超过80℃后，k31 和d31 开始迅速下降。鉴于温度稳定性研究结果，得出对于长度伸
缩振动模式，其使用温度在80℃以下。使用高压性能PMN-PT 单晶成功制备中心频率为10～20MHZ 的高频换能器。使用PiezoCAD并结合KLM 模型对高频换能器制备参数进行理论模拟
和计算，重新设计换能器机构，制备了合适的匹配层及背衬材料，成功制作了中心频率为10～20MHZ 的高频探头。表征了换能器的脉冲回拨频率响应和相对脉冲回波灵敏度等特性，
并将制备出来的高频换能器用于实际的测厚实验中。并与国外探头的测厚能力进行比较，PMN-PT 单晶高频换能器的测厚能力德国K.K 公司和美国DAKOTA 公司高频测厚仪的测厚能力。
3、PMNT 及其在水声换能器中的应用
孟洪1 俞宏沛1 罗豪甦2 刘继伍1李建成1
第七一五研究所杭州 310012;2 中国科学院上海硅酸盐研究所
2004年第 1 期声学与电子工程
本文阐述了弛豫铁电单晶PMN-PT、PZN-PT 材料的性能特征及其在国内外水声领域应用的
现状和发展趋势。并利用上海硅酸盐研究所提供的PMN-PT 元件设计制作了单晶纵振换能器、厚度模换能器及加速度计。通过对PMNT 换能器性能测试数据的分析，得到了一些较有意义的结论。
弛豫铁电单晶材料族铌镁酸铅/钛酸铅（PMN-PT）和铌锌酸铅/钛酸铅（PZN-PT）是一种新型复合钙钛矿型晶体材料。它具有较高的33 振模耦合系数和大的饱和应变，因此有望展宽换能器及基阵的工作频带，且功率容量也很大。目前已引起各国海军声纳界极大的兴趣。美国国防尖端研究项目署投入数千万美元重点开发新型弛豫铁电单晶及其在水声换能器中的
应用。2 弛豫铁电单晶材料性能
大尺寸高质量的弛豫铁电单晶PMNT 和PZNT 的生长成功，是铁电领域里的一项重大
突破。弛豫铁电单晶材料以其优异的压电性能引起了国际上的极大关注，其压电系数d33、机电耦合系数k33 分别高达2000pC/N 和0.9以上，应变量达到1.7%，机电转换效率和应变量大大超过了现有PZT 压电陶瓷材料，特别适合于高效率、高灵敏度收发换能器的研制。为此，1997 年3 月《Science》杂志发表专文对这类新型弛豫铁电单晶体材料作了评述，认为这是半个世纪以来铁电材料领域的重大突破，美国海军认为这将给海军水中装备性能带来革命性的变化。
在国内，中国科学院上海硅酸盐研究所和西安交通大学等单位近几年也开展了这种晶体
材料的基础研究和晶体生长工艺方法探索，经过几年的积累，在生长技术、工艺参数、性能表征等方面已经具有良好的基础，并且已能生长出Ö50×80mm 的PMNT 单晶样品，其性能指标和晶体尺寸一度处于国际领先水平（见图1）。这就为我们开展弛豫铁电单晶换能器研究准备了前提条件。
近年来世界各海军强国开展了一系列弛豫铁电单晶材料的制备及发射器、接收器和其
它传感器设计等方面的研究工作。美国海军水下作战中心（NUWC）研究了PMNT、PZNT 弛豫铁电单晶材料在电场和预应力作用下的特性，认为其力学性能基本满足换能器预应力设计要求。该中心以用于未来轻型鱼雷和水下无人运载体（UUV）自导声基阵的阵元为研究目标，于2001 年设计出了7×7×10mm 的弛豫铁电单晶堆试验模型和相应的Tonpilz换能器阵元样品（见图2），并进行了相关实验。美国宾州大学还开展了PMN-PT 小型化低
噪声水听器研究，在PMNT Tonpilz换能器研究中，他们利用PMN-PT 单晶材料的效率高、用量少等优点来减小Tonpilz换能器的长度，与常规PZT Tonpilz换能器相比，在相同的声源级情况下长度减小了33%，且频带也有所展宽。
在国内，新型弛豫铁电单晶材料研究方面已经具有良好的基础，但弛豫铁电单晶换能器
研究刚刚起步。从2001 年开始，我所与中科院上海硅酸盐研究所无机功能材料开放实验室合作，在国内最早开展了铁电单晶PMNT 在水声换能器方面的应用研究（见图3）。到目前为止，我们已在PMNT 纵向振动换能器、单片厚度模换能器和加速度计方面作了初步尝试，并获得了一些有意义的结果（除灵敏元件的材料外，其它结构件的材料、尺寸均相同）。
(1)PMNT纵振换能器的谐振频率约低15％左右，而厚度模换能器却相差不多；
(2)PMNT 纵振换能器在谐振点处的电导值比P4 高2～5 倍，即PMNT 材料的电损耗小；
(3)PMNT 单晶换能器的接收灵敏度级比PZT4 约高2～4dB，接收带宽提高了3～4kHz；
(4)PMNT 单晶换能器电压发射响应比PZT4 高4～6dB,发射带宽提高了2～3kHz；
(5)PMNT 换能器相对效率也比PZT4 陶瓷材料高。
在研究中我们还发现PMNT单晶片与PZT陶瓷在振模上有区别（见图4），从导纳频响曲
线上可看出，在低频段（300kHz 以下）PMNT单晶材料呈现多峰，而在高频段厚度谐振峰单一，这与P4 材料正好相反，利用单晶材料的这一特性我们还尝试过将PMNT材料用于鱼雷尾流制导换能器的研制，经过试验发现PMNT单晶材料在不加预应力条件下单片制作的高频厚度模换能器较P4 材料制作的鱼雷尾流制导接收振元有更高的灵敏度，且工艺过程大大简化。但要完全达到实用还需要作进一步的工作，至少要通过一系列例行实验。
