弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅复电机系数测试与研究

论文摘要

以锆钛酸铅、钛酸钡陶瓷为代表的压电材料经过数十年的研究发展,现已广泛应用在医学、军事、工业、民用等众多方面。随着弛豫铁电单晶生长技术的发展,人们已经成功制备出一批性质优异的铁电单晶,这为提高压电器件的性能提供了可能。目前,众多实验数据显示弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-xPT）的压电系数d33最大可达到2800pC/N,这一数值是普通陶瓷的四倍有余;而其电机耦合系数更是可以达到90%左右,远远超过普通陶瓷材料。这种优良的机电性能引起了广大铁电压电领域研究学者的极大兴趣。但是,在器件设计应用中,铁电单晶PMN-xPT并没有表现出人们预期的良好效果。这一问题在某种程度上是由于压电材料本身属于电介质其自身带有能量损耗,这种能量损耗会对材料的性能产生影响。在目前测试标准中,IEEE1987压电材料测试方法又是一种忽略材料自身损耗的测试方法。在对大损耗因子压电材料的测试中,这种方法可能造成一定的测试误差。为了了解弛豫铁电单晶PMN-xPT自身损耗对其宏观机电性能的影响,以至于对由其研发器件性能的影响,本文希望借助传统复系数这一手段对弛豫铁电单晶PMN-xPT损耗进行初步表征,从而更加准确的表征压电材料的性质。本课题改进了以往复系数测试方法,并利用此方法计算了弛豫铁电单晶PMN-30%PT的复数形式电机系数。结果发现弛豫铁电单晶PMN-30%PT的弹性系数、介电系数、压电系数的实部会随着极化电压的增加而近似于线性增加,其损耗因子也以线性规律变化。由复电机系数可知,弛豫铁电单晶PMN-30%PT的机械损耗远大于传统单晶,因此在器件设计中,应认真考虑此类单晶材料的损耗特性,以避免对器件综合机电性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 压电材料测试历史和现状
• 1.1.1 弛豫铁电单晶PMN-xPT和PZN-xPT
• 1.1.2 压电材料的测试
• 1.2 课题的背景
• 1.3 课题的内容及研究意义
• 第2章 晶体对称性与测试方法
• 2.1 压电振子
• 2.2 理论方法
• 2.2.1 复数形式机械系数的测试
• 2.2.2 复数形式介电系数的测试
• 2.2.3 复数形式压电系数的测试
• 2.3 本章小结
• 第3章 实验及结果讨论
• 3.1 压电陶瓷PZT-5H复数形式电机系数测试
• 3.2 弛豫铁电单晶的复数形式电机系数测试
• 3.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢