CN112410881A - 一种具有纯面切变振动模态晶体切型及其在无损探伤领域中的应用 - Google Patents

一种具有纯面切变振动模态晶体切型及其在无损探伤领域中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有纯面切变振动模态晶体切型及其在无损探伤领域中的应用，所述晶体材料为稀土磷酸盐晶体，确定出晶体的X、Y和Z轴方向，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a、b和c轴，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着X轴旋转角度α或绕着Y轴旋转角度β或者绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体。本发明的具有纯面切变振动模态晶体切型，采用稀土磷酸盐晶体，只有面切变振动模态，能够激发出纯的SH0波，并且加工方法简单，只需要确定X、Y、或Z轴所在方向，便可直接加工出最优晶体切型，不需要进行角度旋转，样品制备简便。

Description

一种具有纯面切变振动模态晶体切型及其在无损探伤领域中 的应用
技术领域
本发明涉及一种具有纯面切变振动模态晶体切型及其在无损探伤领域中的应用，属于压电晶体及无损探伤技术应用领域。
背景技术
压电材料由于具有优良的力电耦合特性，已经被广泛应用于传感器、换能器和制动器等电子器件的设计和制备。相比于纵向压电模态和厚度切变模态，压电晶体的面切变振动模式(d14,d25,d36)激发的水平剪切波(SH0波)，具有许多独特的特点，首先，它是完全非分散的，可以简单有效地收集信号；此外，SH0模式的平面外粒子位移为零，它的传播受到周围介质的影响较小；而且，当这些波穿过缺陷或边界传播时，模式转换更少。因此，基于压电晶体面切变振动模态激发的SH0波，在无损探伤技术等领域有着明朗的应用前景。由于基频水平剪切(SH0)波具有非弥散、衰减小、与缺陷作用后模态转换少等优点，能实现板壳结构的大范围、高效率检测，在现代工业中具有极大的应用价值，常用于压电换能器。
然而受晶体对称性和点群的影响，目前的晶体材料很难有效地获得纯的SH0波。因此，探索能够激发纯SH0波模式的新型压电晶体或切型，设计新型压电换能器件，成为重要的研究方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有纯面切变振动模态晶体切型及其在无损探伤领域中的应用，本发明的晶体切型具有高声速、纯模态等特点，在无损探伤技术等领域具有重要的应用价值。
术语说明：
晶片切型符号说明：晶片切型符号中绕X轴旋转一定角度记为α，绕Y轴旋转一定角度记为β，绕Z轴旋转一定角度记为γ。旋转方式遵循右手螺旋法则。
纯面切变振动模态：纯面切变振动模态是指在厚度方向施加电场，形变方向沿着对角线方向。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种具有纯面切变振动模态晶体切型，晶体材料为稀土磷酸盐晶体，所述的稀土磷酸盐化学通式为REM3(PO4)3，RE格位为稀土元素；M格位为碱土金属，结晶于立方晶系；确定出晶体的X、Y和Z轴方向，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a、b和c轴，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着X轴旋转角度α或绕着Y轴旋转角度β或者绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体。
根据本发明优选的，所述的稀土元素选自Y、La、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或两种或两种以上的组合；碱土金属为Mg、Ca、Sr或Ba中的一种或两种或两种以上的组合。
进一步优选的，碱土金属为Sr或Ba。
进一步优选的，所述的稀土磷酸盐晶体为磷酸镱钡晶体Ba3Yb(PO4)3或磷酸钇钡晶体Ba3Y(PO4)3。
根据本发明优选的，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着X轴旋转角度α进行切割获得的晶体，-20°≤α≤20°，有效压电常数d14>9.0pC/N。
最为优选的，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着X轴旋转角度α进行切割获得的晶体，α＝0°。
根据本发明优选的，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Y轴旋转角度β进行切割获得的晶体，-20°≤β≤20°,有效压电常数d25>9.0pC/N。
最为优选的，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Y轴旋转角度β进行切割获得的晶体，β＝0°。
根据本发明优选的，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体，-20°≤γ≤20°有效压电常数d36>9.0pC/N。
最为优选的，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体，γ＝0°。
上述具有纯面切变振动模态晶体切型的应用，用于无损探伤领域中，作为压电换能器的换能板使用。
进一步优选的，具体的应用方法如下：将具有纯面切变振动模态晶体切型贴在换能板表面，作为换能板的工作面，用于产生或接收水平剪切波SH0。
本发明的有益效果：
1.本发明的具有纯面切变振动模态晶体切型，采用稀土磷酸盐晶体，只有面切变振动模态，能够激发出纯的SH0波，在无损探伤技术领域有明朗的应用前景。
2.本发明的具有纯面切变振动模态晶体切型，加工方法简单，只需要确定X、Y、或Z轴所在方向，便可直接加工出最优晶体切型，不需要进行角度旋转，样品制备简便。
附图说明
图1为本发明最优压电晶片切型的坐标图：其中，a为X切型图，b为Y切型图，c为Z切型图；
图2为压电常数(d14,d25,d36)绕X、Y和Z轴旋转数值变化分布图：其中，a为压电常数d14图，b为压电常数d25图，c为压电常数d36图；
图3为压电常数d14在空间中分布示意图；a为绕X和Y轴旋转的压电常数d14在空间中分布示意图，b为绕X和Z轴旋转压电常数d14在空间中分布示意图，c为Y和Z轴旋转压电常数d14在空间中分布示意图；
图4为本发明压电切型的振动模态图：a为阻抗图谱，b为面切变形变图；
图5为本发明的面内剪切d36型压电换能器原件的结构示意图；
图6为本发明的晶体切型用作换能器原件激励的波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步地说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
一种Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a，b和c轴，确定出磷酸镱钡晶体的X轴方向，所述的磷酸镱钡压电晶体切型为沿X轴切割即可获得最佳压电常数的切型，样品切型如图1(a)所示。
最佳压电常数的磷酸镱钡晶体切型验证：
针对磷酸镱钡晶体，通过研究得到，晶体绕着X轴旋转角度α，绕着Y轴旋转角度β或者绕着Z轴旋转角度γ，压电常数d14可用下式表示：
d'14＝d14*(cos2α-sin2α)
d'14＝d14*(cos2β-sin2β)
d'14＝d14*(cos2γ-sin2γ)
通过上式可以得到，Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型绕X轴，Y轴和Z轴旋转是等效的，且压电常数d14是减小的，因此最优的晶体切型为未旋转的X切型，压电常数d14绕X、Y和Z轴旋转的数值变化曲线如图2(a)所示。
实施例2
如实施例1所述的Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型，所不同的是，确定出磷酸镱钡晶体的Y轴方向，沿Y轴切割即可获得最佳压电常数的切型，样品切型如图1(b)所示。
最佳压电常数的磷酸镱钡晶体切型验证：
针对磷酸镱钡晶体，通过研究得到，晶体绕着Y轴旋转角度α，绕着Y轴旋转角度β或者绕着Z轴旋转角度γ，压电常数d25可用下式表示：
d'25＝d25*(cos2α-sin2α)
d'25＝d25*(cos2β-sin2β)
d'25＝d25*(cos2γ-sin2γ)
通过上式可以得到，Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型绕X轴，Y轴和Z轴旋转是等效的，且压电常数d25是减小的，因此最优的晶体切型为未旋转的Y切型，压电常数d25绕X、Y和Z轴旋转的数值变化曲线如图2(b)所示。
实施例3
如实施例1、实施例2所述的Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型，所不同的是，确定出磷酸镱钡晶体的Z轴方向，沿Z轴切割即可获得最佳压电常数的切型，样品切型如图1(c)所示。
最佳压电常数的磷酸镱钡晶体切型验证：
针对磷酸镱钡晶体，通过研究得到，晶体绕着Z轴旋转角度α，绕着Y轴旋转角度β或者绕着Z轴旋转角度γ，压电常数d36可用下式表示：
d'36＝d36*(cos2α-sin2α)
d'36＝d36*(cos2β-sin2β)
d'36＝d36*(cos2γ-sin2γ)
通过上式可以得到，Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型绕X轴，Y轴和Z轴旋转是等效的，且压电常数d36是减小的，因此最优的晶体切型为未旋转的Z切型，压电常数d36绕X、Y和Z轴旋转的数值变化曲线如图2(c)所示。
综合实施例1、实施例2和实施例3，针对磷酸镱钡晶体，通过研究得到，晶体绕着X轴旋转角度α，绕着Y轴旋转角度β或者绕着Z轴旋转角度γ，面切变压电常数d14、d25和d36变化是等效的，因此压电常数在X-Y平面、X-Z平面和Y-Z平面是全然等同的，其压电常数d14空间分布示意图如图3所示。
实施例4
如实施例1、实施例2和实施例3所述的Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型，所不同的是压电晶体为Ba3Y(PO4)3，具有同样的纯的振动模态。
应用实验例1
实施例1、实施例2和实施例3所述的Ba3Yb(PO4)3压电晶体切型，测试获得的阻抗图谱如图4(a)所示，通过获得的压电常数矩阵，对面切变振动模态进行仿真分析，形变图如图4(b)所示。
应用实验例2
图6展示了本发明压电晶体切型作为换能器原件在1mm厚的铝板上由350kHz信号激励SH0波的实验结果。从图中可以清晰的看到，当用PZT压电换能器作为传感器接收时，本发明的压电晶片激励的SH0波具有较高的信噪比。进一步实验表明本实施例的压电晶体贴在1mm铝板上可以在180kHz～500kHz的范围内激励出SH0波。目前现有技术制备的其它传感器还无法在较高频率下产生纯的SH0波，具有重要的应用价值。

Claims (10)

1.一种具有纯面切变振动模态晶体切型，晶体材料为稀土磷酸盐晶体，所述的稀土磷酸盐化学通式为REM3(PO4)3，RE格位为稀土元素；M格位为碱土金属，结晶于立方晶系；确定出晶体的X、Y和Z轴方向，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学坐标轴a、b和c轴，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着X轴旋转角度α或绕着Y轴旋转角度β或者绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体。
2.根据权利要求1所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，根据本发明优选的，所述的稀土元素选自Y、La、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm或Yb中的一种或两种或两种以上的组合；碱土金属为Mg、Ca、Sr或Ba中的一种或两种或两种以上的组合；进一步优选的，碱土金属为Sr或Ba。
3.根据权利要求1所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，所述的稀土磷酸盐晶体为磷酸镱钡晶体Ba3Yb(PO4)3或磷酸钇钡晶体Ba3Y(PO4)3。
4.根据权利要求1所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着X轴旋转角度α进行切割获得的晶体，-20°≤α≤20°，有效压电常数d14>9.0pC/N。
5.根据权利要求4所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着X轴旋转角度α进行切割获得的晶体，α＝0°。
6.根据权利要求1所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Y轴旋转角度β进行切割获得的晶体，-20°≤β≤20°,有效压电常数d25>9.0pC/N。
7.根据权利要求6所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Y轴旋转角度β进行切割获得的晶体，β＝0°。
8.根据权利要求1所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体，-20°≤γ≤20°有效压电常数d36>9.0pC/N。
9.根据权利要求1所述的具有纯面切变振动模态晶体切型，其特征在于，对于立方晶系磷酸镱钡晶体，具有纯面切变振动模态晶体切型为晶体绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体，γ＝0°。
10.具有纯面切变振动模态晶体切型的应用，用于无损探伤领域中，作为压电换能器的换能板使用；
具体的应用方法如下：将具有纯面切变振动模态晶体切型贴在换能板表面，作为换能板的工作面，用于产生或接收水平剪切波SH0。
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