弛豫鐵電單晶剪下壓電性能研究

《弛豫鐵電單晶剪下壓電性能研究》是依託西安交通大學，由李飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：弛豫鐵電單晶剪下壓電性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李飛
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

在醫療B超和水聲換能器的套用背景下，具有超高壓電性弛豫鐵電單晶自上世紀末被廣泛關注。目前，弛豫鐵電單晶縱向壓電性能已被深入研究，其縱向壓電常數高達2000pC/N、機電耦合係數達90%以上，均遠高於傳統鋯鈦酸鉛陶瓷材料。在最近研究中，弛豫鐵電單晶剪下壓電性能受到越來越多的關注，被認為是其超高縱向壓電效應產生的關鍵因素。研究表明，弛豫鐵電單晶剪下壓電常數可達6000pC/N，是縱向壓電常數的3倍，並且通過晶體組分和切型的調整，剪下壓電性能可在-50 C-100 C溫度範圍內保持不變，被認為是開發高性能換能器的理想壓電材料。本項目將深入研究弛豫鐵電單晶剪下性能與晶體組分、切型、相結構、電疇結構之間的關係，並以此為突破口，探討弛豫鐵電單晶高壓電性的起源問題。在套用方面，本項目將歸納弛豫鐵電單晶剪下性能與服役場的依賴關係，探索最佳化剪下壓電性能的技術路線及工藝方法，為剪下壓電換能器研發提夠材料保證。

結題摘要

以高性能壓電器件為套用牽引，本項目針對弛豫鐵電單晶剪下性能開展了深入的研究工作，並取得了一定的學術成果，主要表現在以下幾點。（1）為獲得高質量的準單疇晶體，課題組分析了晶體在極化過程中的應變情況，並設計出了相應的高溫極化方法。利用該方法極化晶體，可保證晶體在單疇化的過程中不產生開裂現象，以便更好地開展針對弛豫鐵電單晶的學術和套用研究。（2）對三種相結構弛豫鐵電單晶的剪下壓電性能進行了全面的表征和分析分析。實驗結果表明，超高的剪下壓電效應（＞2000 pC/N）普遍存在於三種鐵電相結構（三方相、單斜相以及四方相）的鉛基弛豫鐵電單晶中，是鉛基弛豫鐵電單晶的重要特點之一，也是造成鉛基弛豫鐵電單晶沿非極軸方向產生高縱向壓電效應的關鍵因素。在鐵電單晶中，剪下壓電效應與極化旋轉機制有著密切的聯繫，即自發極化旋轉的自由能路徑越‘平坦’則剪下壓電效應越強。（3）系統測試了弛豫鐵電單晶剪下壓電性能與服役場的依賴關係，利用熱力學的方法分析了外場對晶體壓電性能影響的關鍵因素。在單軸壓應力的實驗中，課題組研究發現垂直於自發極化方向單軸壓應力可使晶體電疇更為穩定，從而大大提高了晶體的可用電場強度以及剪下壓電模式的輸出應變。（4）對弛豫鐵電單晶的電致伸縮效應進行了系統研究，對三方相、四方相、正交相弛豫鐵電單晶PMN-PT的電致伸縮係數進行表征，確定了三種相結構PMN-PT晶體的電致伸縮係數矩陣。本次研究發現：與介電、壓電係數不同，弛豫鐵電單晶的電致伸縮係數對於鐵電相變點非常不敏感，導致其在溫度、組分變化時非常穩定。通過對弛豫鐵電單晶電致伸縮係數的研究，課題組給出三方相和正交相弛豫鐵電單晶的壓電性能遠高於四方相晶體的原因。