CN117460389A - 一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117460389A CN117460389A CN202311395289.7A CN202311395289A CN117460389A CN 117460389 A CN117460389 A CN 117460389A CN 202311395289 A CN202311395289 A CN 202311395289A CN 117460389 A CN117460389 A CN 117460389A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- single crystal
- composite material
- crystal composite
- piezoelectric single
- piezoelectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 90
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 50
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 90
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 40
- 229920000334 poly[3-(3'-N,N,N-triethylamino-1-propyloxy)-4-methylthiophene-2,5-diyl hydrochloride] polymer Polymers 0.000 claims abstract description 38
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 6
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 16
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 15
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 15
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 11
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 11
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 claims description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910001329 Terfenol-D Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000006184 cosolvent Substances 0.000 claims description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims description 5
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims description 5
- 238000009740 moulding (composite fabrication) Methods 0.000 claims description 2
- 238000000643 oven drying Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 10
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 22
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 22
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 21
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 20
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N Magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 19
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 16
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 16
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 14
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 11
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 11
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 9
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 9
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 8
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- BAECOWNUKCLBPZ-HIUWNOOHSA-N Triolein Natural products O([C@H](OCC(=O)CCCCCCC/C=C\CCCCCCCC)COC(=O)CCCCCCC/C=C\CCCCCCCC)C(=O)CCCCCCC/C=C\CCCCCCCC BAECOWNUKCLBPZ-HIUWNOOHSA-N 0.000 description 6
- PHYFQTYBJUILEZ-UHFFFAOYSA-N Trioleoylglycerol Natural products CCCCCCCCC=CCCCCCCCC(=O)OCC(OC(=O)CCCCCCCC=CCCCCCCCC)COC(=O)CCCCCCCC=CCCCCCCCC PHYFQTYBJUILEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 6
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 6
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 6
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 6
- PHYFQTYBJUILEZ-IUPFWZBJSA-N triolein Chemical compound CCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC(=O)OCC(OC(=O)CCCCCCC\C=C/CCCCCCCC)COC(=O)CCCCCCC\C=C/CCCCCCCC PHYFQTYBJUILEZ-IUPFWZBJSA-N 0.000 description 6
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 5
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 5
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 4
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 4
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 3
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical group [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 3
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000005690 magnetoelectric effect Effects 0.000 description 3
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 3
- ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N niobium pentoxide Inorganic materials O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 229940117972 triolein Drugs 0.000 description 3
- 235000015895 biscuits Nutrition 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000005501 phase interface Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/093—Forming inorganic materials
- H10N30/097—Forming inorganic materials by sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
- C30B29/22—Complex oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B9/00—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents
- C30B9/04—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution
- C30B9/08—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution using other solvents
- C30B9/12—Salt solvents, e.g. flux growth
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/092—Forming composite materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead-based oxides
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用。其制备方法包括以下步骤：(1)以MgO、Nb2O5、Pb3O4和TiO2为原料通过二次合成法制得PMNT粉体；(2)将PMNT粉体与模板材料混合，进行二次球磨，得到流延液，经流延成型，干燥，裁剪，叠层，冷等静压，热压烧结和常压退火烧结制得。本发明方法成本低，具有好的晶体结构和晶体质量，优异的电学性能和整体性能，工艺简单，可连续操作，生产效率高，可实现高度自动化制备；所制得的压电单晶复合材料应用于制备混合激励换能器，并引入磁致伸缩材料，成功设计出压电‑压磁混合激励换能器，实现了宽带、小尺寸、高发送电压相应的优良特性。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器技术领域，具体涉及一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
超声换能器实现着电学信号和声学信号之间的转换，压电材料作为超声换能器最核心的功能元件，它的性能在很大的程度上决定了超声换能器的性能特性，通常情况下，用于制备超声换能器的压电材料大都具有高压电系数、高机电耦合系数等特性。目前市场上最常用的压电材料是锆钛酸铅Pb(Zr1-xTiX)O3(PZT)系列压电陶瓷。PZT系列压电陶瓷因其较好的压电性能、较低的制作成本和良好的可塑性得到广泛应用。然而，PZT系列压电陶瓷仍存在压电系数低、机电耦合系数低、介电耗损高等问题，不利于实现低频小尺寸发射。
另外，对于分别独立工作的压电陶瓷换能器和磁致伸缩换能器对比，磁致伸缩换能器电效率只有50％～60％，压电陶瓷换能器可提供超过95％的电效率；由于磁致伸缩系统的工作频率限制在18kHz至约30kHz，压电换能器通常使用的40kHz能量在20kHz处具有其第一子谐波，该谐波高于正常成人的听力极限，二次谐波处于可听范围内(在10kHz时)，但是与第一次谐波相比，该谐波中的能量非常低，因此声音级别不高，这意味着将磁致伸缩系统设置在85db的水平以下可能不经济；由于内部摩擦和热量，陶瓷中的能量损失通常小于5％，与压电系统相比，磁致伸缩换能器将需要更多的电能来产生相同数量的超声波振动作用，由于线圈加热过程中损失的能量以及磁滞现象的影响，磁性系统的效率通常不到50％。
综上，目前超声换能器中压电型陶瓷换能器存在压电系数低、机电耦合系数低、介电耗损高等问题，不利于实现低频小尺寸发射，磁致伸缩换能器存在电效率低下，能量损失和磁滞现象严重的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用，以解决现有超声换能器中压电型陶瓷换能器存在压电系数低、机电耦合系数低、介电耗损高等问题，不利于实现低频小尺寸发射，磁致伸缩换能器存在电效率低下，能量损失和磁滞现象严重的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以MgO和Nb2O5为原料于1000-1200℃合成MgNb2O6，随后加入PbO合成Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3；以Pb3O4和TiO2为原料在550-700℃条件下合成PbTiO3；
(2)将步骤(1)制得的PbTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3混合，加入助溶剂后高温熔化，降温后进行球磨，烘干，制得PMNT粉体；
(3)将步骤(2)制得的PMNT粉体与模板材料混合，加入溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂后，进行二次球磨，过滤得流延液；
(4)将步骤(3)制得的流延液流延成型，干燥，裁剪，叠层，然后依次经冷等静压、热压烧结和常压退火烧结后制得。
采用上述技术方案的有益效果为：本发明采用二次合成法制备PMNT粉体，解决了传统固相法由于低温下反应活性比较强的PbO和Nb2O5先反应生成焦绿石相影响材料的性能。
本发明使用二次合成法的方式，通过Pb3O4和TiO2合成PbTiO3，可以降低原料的成本；可以更好的控制各组分的含量和比例，以获得较优的材料性能，这种优化控制能够提高PMNT粉体的稳定性和性能的一致性；制得的PMNT粉体具有更好的晶体结构，通过单独合成PbTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，并混合制备PMNT粉体，有助于获得更好的晶体结构和晶体质量，从而进一步提高材料的电学性能和整体性能。
进一步地，步骤(1)中MgO、Nb2O5和PbO的摩尔比为0.8-1.2：0.8-1.2：2.8-3.2；Pb3O4和TiO2的摩尔比为0.8-1.2：2.8-3.2。
进一步地，步骤(2)中PbTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3按照PMNT通式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，0＜x＜1进行配料；助溶剂为PbO，PMNT和PbO的摩尔比为100：1-10；高温熔化的温度为1400-1600℃；球磨的条件为：溶剂为无水乙醇和丁酮的共沸液，同时加入分散剂，在球磨机中发酵20-30h后进行球磨混合；烘干的温度为75-85℃，时间为10-24h。
进一步地，步骤(3)中的模板材料的添加量为PMNT粉体质量分数的5-10％，所述模板材料包括SrTiO3和SrBi4Ti4O15中的至少一种；PMNT粉体、溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂的质量比为55-60：25-35：1.5-2.5：2.5-3.5：4-6；粘结剂为PVA水溶液，浓度为6.5-7.5g/mL；塑性剂为聚乙二醇(PEG)和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的混合物。
进一步地，聚乙二醇(PEG)和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的质量比为：1：1。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：加入分散剂的目的在于在陶瓷浆料的制备中，由于静电稳定和空间位阻作用，发挥着助磨、稀释减水和稳定分散的作用。球磨的目的是保证药品混合均匀无沉淀，一般来说，磨机的转速越大，粉碎效果越好。
PEG可以通过在颗粒间形成有机桥联而增大浆料的粘度，而DBP的加入则对颗粒起润滑作用，使浆料粘度降低。因此选用这两种试剂同时加入，调节它们的比例，可确保素坯塑性的条件下，使浆料的粘度适中，起到增加素坯柔韧性的作用。
TGG过程中基体材料为PMNT粉体，其最理想的模板就是它本身，但由于合成PMNT籽晶困难，本发明选用了SrTiO3、SrBi4Ti4O15作为模板材料，两者与多种钙钛矿结构材料晶格匹配好，是多种氧化物薄膜的优质的衬底材料，使得新生单晶层按衬底晶相延伸生长。
进一步地，步骤(4)中热压烧结的条件为以0.2-0.4℃/min的速度升温至90-110℃后保温50-70min，然后继续升温至480-520℃保温5-7h；常压退火烧结的条件为以4-6℃/min的速度升温至1100-1200℃，保温9-11h。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：在热压烧结后加了一步常压退火烧结处理，改善或消除了在制备过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止材料变形、开裂，以提高工件的机械性能。
进一步地，步骤(4)常压退火烧结后还包括交流极化处理。
进一步地，交流极化处理具体为将材料于电场强度为8-15kV/cm的电场下，以20-50Hz的极化频率进行交流极化。
优选地，交流极化处理具体为将材料于电场强度为12kV/cm的电场下，以30Hz的极化频率进行交流极化。
一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料，通过上述的制备方法制得。
上述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料在制备混合激励换能器中的应用。
进一步地，利用低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料代替换能器中的锆钛酸铅压电陶瓷，还引入磁致伸缩材料。
进一步地，磁致伸缩材料包括Terfenol-D。
进一步地，混合激励换能器的磁致伸缩-压电混合激励结构具有旋转轴对称特征(如图1所示)，包括如下五个部分：
(1)磁致伸缩振子主要由棒和其两端的永磁体组成的。永磁体在磁场的作用下，会产生磁致伸缩效应，即在磁场的激励下会发生长度方向的变化。
(2)压电振子由若干个PMNT压电片并联堆叠组成的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料，具有压电效应，在施加电压的作用下会产生应力，当电压改变时，PMNT会引起结构的震动。
(3)辐射头选择密度较小的铝材料，位于换能器的前部，负责接收声波信号并将其转化为机械振动信号。低密度使得它能够更好地响应来自外部环境的声波信号。
(4)中间质量块和尾部质量块选择密度较大的铜材料，位于磁致伸缩子和压电振子之间，起到质量均衡和传递震动的作用，高密度有利于提高换能器的灵敏度和效率。
进一步地，通过结合磁致伸缩效应和压电效应，磁致伸缩-压电混合激励换能器能够将声能转换为电能，或将电能转换为声能。
进一步地，对于磁致伸缩-压电混合激励来说，(011)方向极化PMNT单晶具有较大的横向压电系数(d33～1920pC/N)和较高的横向机电耦合系数(k33＞92％)，可利用其横向振动模式来驱动换能器。
进一步地，由PMNT激励出的33模式(如图2所示)更具有优势，其中33模式中，第一个数字“3”代表电场方向，第2个数字“3”代表振动方向，即单晶的极化方向沿(011)方向(元件最薄几何方向)，共振方向与极化方向相同。
进一步地，磁致伸缩振子利用材料的伸缩特性将磁场中的能量转换为机械能，磁场由磁致伸缩材料周围的金属丝线圈提供。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：成功设计出压电-压磁混合激励换能器，利用压电-压磁效应，实现磁-机-电的耦合，实现了宽带、小尺寸、高发送电压相应的优良特性。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用二次合成法制备PMNT粉体，相较于传统的固相法进行了优化，解决了传统固相法由于低温下反应活性比较强的PbO和Nb2O5先反应生成焦绿石影响材料的性能。焦绿石是一种具有特殊结构的化合物，通常由金属氧化物组成，具有许多特定的电学、磁学和热学性质。
电学性能：焦绿石相通常具有较低的介电常数和较高的电阻率。这可能导致PMNT材料的电学性能受到影响。因本发明的目的就是需要高机电耦合系数和低介质损耗的性质，焦绿石相的形成可能会降低材料的性能。
铁电性能：PMNT是一种铁电陶瓷，其铁电性能在很大程度上影响其应用，而焦绿石通常不表现出铁电性，一旦形成焦绿石相可能会降低材料的铁电性能。
结晶结构：焦绿石相和PMNT的晶体结构不同，若焦绿石相存在，则可能导致材料的整体结晶结构发生变化，从而会影响材料的机械性能。
(2)本发明与常规技术中以MgO、Nb2O5和TiO2为原料先制备MNT前驱体，然后与PbO混合制得的PMNT粉体对比，优点在于：其一，大幅度降低原料成本，本发明使用二次合成法的方式，通过Pb3O4和TiO2合成PbTiO3，可以降低原料的成本，因为Pb3O4比PbO的价格要更加便宜，本发明中减少了PbO的使用；其二，本发明通过单独合成PbTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3两种化合物，再进行混合，可以更好的控制各组分的含量和比例，以获得较优的材料性能，这种优化控制能够提高PMNT粉体的稳定性和性能的一致性；其三，本发明方法制得的PMNT粉体具有更好的晶体结构，通过单独合成PbTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，并混合制备PMNT粉体，有助于获得更好的晶体结构和晶体质量，从而进一步提高材料的电学性能和整体性能。
(3)本发明在制备低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料时，在热压烧结后加了一步常压退火烧结处理，改善或消除了在制备过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力，防止材料变形、开裂，以提高工件的机械性能。
(4)本发明制得的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料的晶粒取向度较高，制备方法工艺简单，可连续操作，生产效率高，可实现高度自动化制备。
(5)现目前常用的超声换能器压电材料锆钛酸铅(PZT)，其压电系数d33的值通常在200pC/N～700pC/N之间；表示垂直于电场方向的应变与电场关系的剪切电极系数d31通常在-150pC/N～-400pC/N之间；介电常数的值通常处于1000至1500之间。通过本发明方法制得的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料，其压电系数可达到1730pC/N，且介电常数最高也可达3000以上，远高于目前常用的超声换能器压电材料。
(6)本发明将所制得的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料应用于制备混合激励换能器，并引入磁致伸缩材料，成功设计出压电-压磁混合激励换能器，利用压电-压磁效应，实现磁-机-电的耦合，实现了宽带、小尺寸、高发送电压相应的优良特性。并详细说明了换能器驱动系统各模块软硬件，对于自行研发制作换能器具有一定的参考意义。
附图说明
图1为磁致伸缩-压电混合激励换能器结构整体示意图，其中，(1)为压电振子长度；(2)为压电振子半径；(3)为磁致伸缩振子长度；(4)为磁致伸缩振子半径；(5)为辐射头外半径；(6)为辐射头内半径；(7)为辐射头内高度；(8)为辐射头外高度；(9)为中间质量块高度；(10)为中间质量块半径；(11)为尾部质量块高度；(12)为尾部质量块半径；
图2为“33”模式激励模式示意图；
图3为本发明中的PMNT制备工艺流程图；
图4为本发明中流延过程示意图；
图5为TGG模板晶粒生长技术示意图；
图6为单晶的电畴结构在交流电场下的演变过程；
图7为磁致伸缩单元详细结构；
图8为铜极片均匀穿插在压电材料所形成的压电单元；
图9为实施例1中的压电单晶复合材料的表面SEM形貌；
图10为对比例1中的压电单晶复合材料的表面SEM形貌；
图11为实施例1和对比例2制得的压电单晶复合材料的XRD图谱；
图12为实施例1和对比例2制得的压电单晶复合材料在不同频率下介电常数与温度的变化关系；
图13为(011)方向直流极化、交流极化PMNT单晶压电系数和机电耦合系数测试结果，其中，(a)图为压电系数，(b)图为机电耦合系数。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法(压电单晶复合材料的制备工艺流程图如图3所示)，包括以下步骤：
(1)准确称量摩尔比为1∶1氧化镁和五氧化二铌混合，随后在1100℃的条件下合成得到MgNb2O6(MN相)，然后加入PbO合成Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，PbO和MgO的摩尔比为3∶1；准确称量摩尔比为1∶3的Pb3O4和TiO2于600℃条件下合成PbTiO3，上述合成反应方程式如下：
MgO+Nb2O5→MgNb2O6
MgNb2O6+3PbO→3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3
Pb3O4+TiO2→PbTiO3
(2)称量步骤(1)制得的Pb(Mg1/3Nb2/3)和PbTiO3混合，加入PbO作为助溶剂，进行1500℃熔化后降温，其中，Pb(Mg1/3Nb2/3)、PbTiO3和PbO的摩尔比为1∶1∶0.05。
(3)将降温后的原料置于尼龙罐中，另外罐中放入大中小三种型号的氧化锆微球。
(4)向尼龙罐中加入无水乙醇和丁酮的共沸液(无水乙醇和丁酮的体积比为67：33)作为溶剂，共沸点约为74.8℃。同时加入三油酸甘油酯作为分散剂，在球磨机中发酵24h后进行球磨混合，粉体装载量应为球磨罐容积的70-80％，以110r/min球磨7h成为均匀的混合粉料。
(5)将球磨后得到的混合粉料倒入容器中，在80℃下烘干12h，将烘干后的粉体放入研钵中，加入粉体质量分数的5％的SrTiO3与粉体混合加入溶剂(无水乙醇和丁酮的共沸液(无水乙醇和丁酮的体积比为67：33))和分散剂(三油酸甘油酯)；配置浓度为6g/mL的PVA去离子水溶液，作为PVA粘结剂，加入研钵中，再加入聚乙二醇和邻苯二甲酸二丁酯作为塑性剂，其中，粉料、溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂之间的质量比为60：30：2：3：5。
(6)将步骤(5)得到的浆料放入球磨机中进行二次球磨，对球磨后的混合物进行抽真空，以去除浆料中的大部分气泡；过滤，以除去残余气泡、研磨碎片或未溶的粘结剂，制得流延液。若气泡留在浆料中，流延成型后，气泡的存在会在膜片中形成大量孔洞，严重影响膜片的质量。
(7)将流延刮刀固定，刮刀的高度设置为0.25mm，载带移动速度设置为1mm/s，通过流延载移动进行流延(示意图如图4所示)。
(8)将流延成型的浆料进行干燥，干燥温度50℃，时间12h，形成素胚，将干燥后的素胚剥离衬底(即模板材料)，裁剪成如图1所示压电振子部分的圆环形，进行叠层。
(9)冷等静压处理：用橡胶包裹步骤(8)叠层制得的材料，以液体为压力介质，压力为500MPa，作用于材料成型。
(10)将步骤(9)冷等静压处理好的材料放置在电阻丝炉中，以0.3℃/min的速度升温到100℃后保温1h，然后继续升温至500℃下，保温6h后自然冷却至室温，以蒸发PVA粘合剂，消除材料中的有机物。
(11)以5℃/min的速率升温至1150℃，保温10h，进行常压退火烧结(烧结过程中TGG模板晶粒生长技术示意图如图5所示)。
(12)将步骤(11)处理后的材料于电场强度为12kV/cm的电场下，以30Hz的极化频率进行交流极化，制得低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料。
交流极化的电场会在两个相反的方向上周期上升，使得单晶样品内部的71°畴壁逐渐减少，宏观压电性能提升，这一过程中晶体电畴的变化如图6所示。在多次反转后，71°畴壁几乎消失殆尽，仅留下109°畴壁与长条状的畴带结构。这种条状电畴结构对(001)方向的入射光几乎没有散射，因而通过交流电场极化可以大幅提高穿透性。
(13)取超磁致伸缩棒Terfenol-D、铝材料、铜材料和步骤(12)制得的压电单晶复合材料按照图1所示的磁致伸缩-压电混合激励换能器结构整体示意图进行组装，其中中间质量块和尾部质量块为铜材料，辐射头为铝材料，压电振子为压电单晶复合材料，磁致伸缩振子的具体结构由图7所示，主要由超磁致伸缩棒Terfenol-D、永磁体和线圈组成，采用切片粘结法将材料径向切割成薄片后，填充绝缘材料，然后利用树脂绝缘胶将各片粘结起来，控制树脂层厚度在0.2mm以内，在永磁体与致磁伸缩棒之间添加高磁导率材料，得到磁致伸缩振子；依次组装制得混合激励换能器。
本发明制得的混合激励换能器中，磁致伸缩棒中的磁畴在零磁场强度下自由排列；当施加预应力时，磁畴沿着垂直于力轴向方向排列；当施加磁场时，磁畴沿着磁场方向进行旋转，直至磁畴与磁场方向平行，此时磁致伸缩棒的伸长量最大。
在一定的预应力下，随着磁场强度的增加，磁致伸缩曲线先增大后趋于平稳，在最佳预应力50MPa下，磁场强度为2-5kA/m，磁致伸缩的变化近似线性变化，因此选用中间镂空贯穿螺栓的方式施加预应力，并预设50MPa的压力。
为了将换能器的输出能量集中在中间质量块，中间质量块选用配重密度较大的材料，选用铜块作为配重材料，起到质量均衡和传递振动的作用。
对于换能器的驱动系统，主要包括大功率的变压器、信号发生器、整流滤波电路、保护电路和功率放大电路。
将大功率变压器的输入端接入工频电压，经过降压处理后，分别为信号发生器，直流稳压模块和保护电路供电。在这个系统中，由STC12LE5A60S2微控制器和AD9851频率合成芯片采用并行的方式连接驱动系统原始信号的发生，实现驱动信号高精度、数字化控制以及连续输出。
单片机的工作电压在2.2V～3.6V之间，而在与PC机级联进行程序调试时，PC机串口电压为5V，因此，需要将微弱电信号接入功率放大模块，通过该模块将初始信号放大到足以驱动换能器的程度，故选用AMS1117-5芯片来进行电压转换。
另外，通过直流稳压模块将交流电进行处理，转变为平滑的直流电，用于驱动功率放大模块的工作。
稳压芯片选用LT3758，稳压范围在5.5V～100V之间，适用于要经受高输入电压瞬变的应用。整流二极管参数选用IF＝50A，VRM＝1000V。针对功率放大模块，选用拥有24功放管的大功率功放板。
这种驱动电源是一种大功率驱动电源，而且功率放大电路需要长时间处于工作状态。这样的大功率电路在开关电源开启时可能会产生瞬时大电流。因此，保护电路的作用非常重要，它能够有效的保护电路免受潜在的损坏。
CH340T是一款接口转换及单片机外围芯片，支持USB2.0。它接入AMS1117-5芯片可以实现USB转串口、扩展计算机异步串口等功能。
采用图形化编辑语言“G语言”进行LabVIEW虚拟仪器对系统的人机交互界面的开发，实现了应用软件对硬件电路的控制，能够实时的对输出信号进行监控，从而直观、快速的对驱动系统输出信号进行调整。实现可调功能如下：
(1)信号频率范围：1Hz～25kHz，频率可调；
(2)初始相位：0～180°，相位可选；
(3)信号输出幅值：0.1～5.0V，幅值可调；
(4)信号输出持续时间可调，单位ms；
当换能器系统进行通电运行产生脉冲时，磁芯将以与超声波发生器的输出频率匹配的频率振动，该磁场使磁致伸缩材料收缩或伸长，从而将声波引入应用中。
本质是外磁场使磁电复合材料中磁致伸缩相产生的磁-力耦合，由于磁致伸缩相中力的产生，然后通过相界面将应力传递给压电相，从而产生力-电耦合。
涉及到了磁电效应中的乘积效应：
磁电效应＝K×磁/机械×机械/电
逆磁电效应＝K×电/机械×机械/磁
其中K为复合材料的磁电耦合系数，K＝K1×K2×x×(1-x)。K1和K2是指两相材料相互耦合后的各单相特性的减弱系数；x及(1-x)分别为磁电复合材料中铁电相和铁磁相的体积分数。磁致伸缩单元和压电单元作为换能器中的重要组分，压电单元的电-应力耦合与磁致伸缩单元的磁-应力耦合，通过乘积效应最终实现磁-机-电的耦合，实现了涉及到磁场、弹性场、电场之间的相互耦合。
本发明制得的混合激励换能器工作运行时，由压电振子控制换能器的高频谐振，磁控伸缩振子控制其低频谐振。
只需要给如图8的晶体振子极板上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，产生逆压电效应。当外加交流电压频率等于晶体谐振频率发生共振时，将会产生对激励信号频率十分敏感的突出特点。
本发明制得的混合激励换能器中的压电振子的等效输入端呈现电容性，磁致伸缩振子的等效输入段呈现电感性，这两个部件能够互相电调谐。
磁致伸缩换能器上因为存在电感，所以在两振子中存在着一个恒定的90°相位差，使得振动一端增强、另一端减弱，从而产生较好的单向辐射性能。
双激励换能器两个晶堆同相激励时，响应曲线在某一频点处会产生较深的“凹坑”，导致宽带效果不好；反相激励时“凹坑”消失，带宽特性明显改善。其特征在于：利用中间质量块在两单元中间产生第三谐振频率，当前后振动单元以相反的激励方式工作时，产生的两个纵向振动模式的谐振频率相互耦合，起到了拓宽系统频响带宽的作用。
实施例2：
一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法，包括以下步骤：
(1)准确称量摩尔比为1：1氧化镁和五氧化二铌混合，随后在1050℃的条件下合成得到MgNb2O6(MN相)，然后加入PbO合成Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，PbO和MgO的摩尔比为3∶1；准确称量摩尔比为1∶3的Pb3O4和TiO2于550℃条件下合成PbTiO3，上述合成反应方程式如下：
MgO+Nb2O5→MgNb2O6
MgNb2O6+3PbO→3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3
Pb3O4+TiO2→PbTiO3
(2)称量步骤(1)制得的Pb(Mg1/3Nb2/3)和PbTiO3混合，加入PbO作为助溶剂，进行1400℃熔化后降温，其中，Pb(Mg1/3Nb2/3)、PbTiO3和PbO的摩尔比为1∶1∶0.05。
(3)将降温后的原料置于尼龙罐中，另外罐中放入大中小三种型号的氧化锆微球。
(4)向尼龙罐中加入无水乙醇和丁酮的共沸液(无水乙醇和丁酮的体积比为67：33)作为溶剂，共沸点约为74.8℃。同时加入三油酸甘油酯作为分散剂，在球磨机中发酵24h后进行球磨混合，粉体装载量应为球磨罐容积的70-80％，以110r/min球磨7h成为均匀的混合粉料。
(5)将球磨后得到的混合粉料倒入容器中，在80℃下烘干12h，将烘干后的粉体放入研钵中，加入粉体质量分数的10％SrTiO3与粉体混合加入溶剂(无水乙醇和丁酮的共沸液(无水乙醇和丁酮的体积比为67：33))和分散剂(三油酸甘油酯)；配置浓度为6g/mL的PVA去离子水溶液，作为PVA粘结剂，加入研钵中，再加入聚乙二醇和邻苯二甲酸二丁酯作为塑性剂，其中，粉料、溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂之间的质量比为60：30：2：3：5。
(6)将步骤(5)得到的浆料放入球磨机中进行二次球磨，对球磨后的混合物进行抽真空，以去除浆料中的大部分气泡；过滤，以除去残余气泡、研磨碎片或未溶的粘结剂，制得流延液。若气泡留在浆料中，流延成型后，气泡的存在会在膜片中形成大量孔洞，严重影响膜片的质量。
(7)将流延刮刀固定，刮刀的高度设置为0.25mm，载带移动速度设置为1mm/s，通过流延载移动进行流延。
(8)将流延成型的浆料进行干燥，干燥温度50℃，时间12h，形成素胚，将干燥后的素胚剥离衬底(即模板材料)，裁剪成如图1所示压电振子部分的圆环形，进行叠层。
(9)冷等静压处理：用橡胶包裹步骤(8)叠层制得的材料，以液体为压力介质，压力为500MPa，作用于材料成型。
(10)将步骤(9)冷等静压处理好的材料放置在电阻丝炉中，以0.2℃/min的速度升温到110℃后保温1h，然后继续升温至520℃，保温6h后自然冷却至室温，以蒸发PVA粘合剂，消除材料中的有机物。
(11)以4℃/min的速率升温至1150℃，保温10h，进行常压退火烧结，制得低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料。
(12)将步骤(11)处理后的材料于电场强度为12kV/cm的电场下，以30Hz的极化频率进行交流极化，制得低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料。
(13)取超磁致伸缩棒Terfenol-D、铝材料、铜材料和步骤(12)制得的压电单晶复合材料按照图1所示的磁致伸缩-压电混合激励换能器结构整体示意图进行组装，其中中间质量块和尾部质量块为铜材料，辐射头为铝材料，压电振子为压电单晶复合材料，磁致伸缩振子的具体结构由图7所示，主要由超磁致伸缩棒Terfenol-D、永磁体和线圈组成，采用切片粘结法将材料径向切割成薄片后，填充绝缘材料，然后利用树脂绝缘胶将各片粘结起来，控制树脂层厚度在0.2mm以内，在永磁体与致磁伸缩棒之间添加高磁导率材料，得到磁致伸缩振子；依次组装制得混合激励换能器。
实施例3：
一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法，包括以下步骤：
(1)准确称量摩尔比为1∶1氧化镁和五氧化二铌混合，随后在1150℃的条件下合成得到MgNb2O6(MN相)，然后加入PbO合成Pb(Mg1/3Nb2/3)O3，PbO和MgO的摩尔比为3∶1；准确称量摩尔比为1∶3的Pb3O4和TiO2于700℃条件下合成PbTiO3，上述合成反应方程式如下：
MgO+Nb2O5→MgNb2O6
MgNb2O5+3PbO→3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3
Pb3O4+TiO2→PbTiO3
(2)称量步骤(1)制得的Pb(Mg1/3Nb2/3)和PbTiO3混合，加入PbO作为助溶剂，进行1600℃熔化后降温，其中，Pb(Mg1/3Nb2/3)、PbTiO3和PbO的摩尔比为1∶1∶0.05。
(3)将降温后的原料置于尼龙罐中，另外罐中放入大中小三种型号的氧化锆微球。
(4)向尼龙罐中加入无水乙醇和丁酮的共沸液(无水乙醇和丁酮的体积比为67∶33)作为溶剂，共沸点约为74.8℃。同时加入三油酸甘油酯作为分散剂，在球磨机中发酵24h后进行球磨混合，粉体装载量应为球磨罐容积的70-80％，以110r/min球磨7h成为均匀的混合粉料。
(5)将球磨后得到的混合粉料倒入容器中，在80℃下烘干12h，将烘干后的粉体放入研钵中，加入粉体质量分数的5％SrTiO3和粉体质量分数的5％SrBi4Ti4O15与粉体混合加入溶剂(无水乙醇和丁酮的共沸液(无水乙醇和丁酮的体积比为67：33))和分散剂(三油酸甘油酯)；配置浓度为6g/mL的PVA去离子水溶液，作为PVA粘结剂，加入研钵中，再加入聚乙二醇和邻苯二甲酸二丁酯作为塑性剂，其中，粉料、溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂之间的质量比为60：30：2：3：5。
(6)将步骤(5)得到的浆料放入球磨机中进行二次球磨，对球磨后的混合物进行抽真空，以去除浆料中的大部分气泡；过滤，以除去残余气泡、研磨碎片或未溶的粘结剂，制得流延液。若气泡留在浆料中，流延成型后，气泡的存在会在膜片中形成大量孔洞，严重影响膜片的质量。
(7)将流延刮刀固定，刮刀的高度设置为0.25mm，载带移动速度设置为1mm/s，通过流延载移动进行流延。
(8)将流延成型的浆料进行干燥，干燥温度50℃，时间12h，形成素胚，将干燥后的素胚剥离衬底(即模板材料)，裁剪成如图1所示压电振子部分的圆环形，进行叠层。
(9)冷等静压处理：用橡胶包裹步骤(8)叠层制得的材料，以液体为压力介质，压力为500MPa，作用于材料成型。
(10)将步骤(9)冷等静压处理好的材料放置在电阻丝炉中，以0.4℃/min的速度升温到90℃后保温1h，然后继续升温至480℃，保温6h后自然冷却至室温，以蒸发PVA粘合剂，消除材料中的有机物。
(11)以6℃/min的速率升温至1150℃，保温10h，进行常压退火烧结，制得低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料。
(12)将步骤(11)处理后的材料于电场强度为12kV/cm的电场下，以30Hz的极化频率进行交流极化，制得低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料。
(13)取超磁致伸缩棒Terfenol-D、铝材料、铜材料和步骤(12)制得的压电单晶复合材料按照图1所示的磁致伸缩-压电混合激励换能器结构整体示意图进行组装，其中中间质量块和尾部质量块为铜材料，辐射头为铝材料，压电振子为压电单晶复合材料，磁致伸缩振子的具体结构由图7所示，主要由超磁致伸缩棒Terfenol-D、永磁体和线圈组成，采用切片粘结法将材料径向切割成薄片后，填充绝缘材料，然后利用树脂绝缘胶将各片粘结起来，控制树脂层厚度在0.2mm以内，在永磁体与致磁伸缩棒之间添加高磁导率材料，得到磁致伸缩振子；依次组装制得混合激励换能器。
对比例1：
一种压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照PMNT靶材的化学组成0.5Pb(Mg1/3Nb2/3)-0.5PbTiO3的化学计量比准确称量TiO2、MgO和Nb2O5，在球磨机上球磨24h，然后100℃干燥12h，再于1200℃高温处理3h后得到MNT前驱体。
(2)称取质量为MNT前驱体质量的1％的PbO与MNT前驱体混合，进行球磨24h、100℃干燥后，再于800℃-860℃下高温处理2-4h，获得PMNT粉体。
(3)将降温后的PMNT粉体置于尼龙罐中，另外罐中放入大中小三种型号的氧化锆微球。
步骤(4)-(12)同实施例1。
对比例2：
一种压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法，包括以下步骤：
制备方法同实施例1，区别在于不包括步骤(11)。
对比例3：
一种压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法，包括以下步骤：
制备方法同实施例1，区别在于步骤(12)修改为于电场强度12kV/cm的电场下进行直流极化。
对比例4：
一种压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法，包括以下步骤：
制备方法同实施例1，区别在于步骤(5)中不添加SrTiO3。
对比例5：
一种压电单晶复合材料及混合激励换能器的制备方法，包括以下步骤：
制备方法同实施例1，区别在于步骤(5)中SrTiO3的添加量为粉体质量分数的15％。
试验例1：表面微观结构
取实施例1和对比例1制得的压电单晶复合材料，通过扫描电子显微镜观察样品表面的微观结构。
实验结果如图9和图10所示，通过SEM结果可以看出，实施例1制得的压电单晶复合材料在微观结构上更加均匀、致密和平滑，获得了较好的晶体结构和晶体质量，有助于提高材料性能。
试验例2：XRD和介电常数测试
取实施例1和对比例2制得的压电单晶复合材料进行测试。
(1)X射线衍射(XRD)
使用日本理学公司的D/max-2400X-ray衍射仪(XRD)对所制备的陶瓷样品进行X射线衍射(XRD)物相分析，得到图11。
由图11可知，本发明实施例1添加常压退火工艺制得的压电单晶复合材料和对比例1不进行常压退火工艺制得的压电单晶复合材料，在X射线的探测精度范围内仍保持为单一的钙钛矿结构，说明了增加常压退火工艺并不影响压电单晶复合材料的结构组分。
(2)采用TH2826型Automatic Component Analyzer测试仪结合匀速升温箱，测试了不同频率条件下，压电单晶复合材料的介电常数和温度之间的关系。
实验结果如图12所示，无论频率如何，本发明实施例1添加常压退火工艺制得的压电单晶复合材料的介电常数均显著高于和对比例1不进行常压退火工艺制得的压电单晶复合材料，这表明本发明实施例1制得的压电单晶复合材料在束缚电荷方面具有更强的性能，其介电性能也更为出色。
试验例3：压电性能
取实施例1和对比例3制得的压电单晶复合材料进行测试。
压电性能测试采用ZJ-3AN型型准静态d33测量仪。
实验结果如图13所示，当进行极化的电场强度为12kV/cm时(即本发明中的实施例1和对比例3)，实施例1制得的压电单晶复合材料的压电系数达到了1730pC/N，相对于对比例3的1200pC/N提高了40％；同时，其机电耦合系数也显著高于对比例3。当电场强度超过8kV/cm时，不同的极化方式下的压电单晶复合材料的机电耦合系数均没有明显的变化，保持在55％～57％之间，既为本发明的性能提升提供了数据支撑，也说明了本发明中使用交流极化的方式提高弛豫铁电单晶的压电性能是有效的。
试验例4：介电性能
取实施例1-2和对比例4-5制得的压电单晶复合材料进行测试。
介电常数和介电损耗采用TH2826型Automatic Component Analyzer测试仪进行测试；陶瓷的体积密度ρ采用排水法来测量。
通常情况下，对于超声换能器中的压电材料，特别是织构化铁电单晶，因材料结构的复杂程度增加，具有1～5的介电损耗tanδ(％)值是被认为是低介质损耗的。这个范围意味着材料在电场下可以相对高效地存储和释放电能，损失的能量相对较少。
实验结果如下表1所示。
表1介电性能和密度的测试结果
根据上表中数据可知，本发明实施例1和实施例2分别以质量分数为PMNT粉体5％和10％的SrTiO3作为模板材料制得的压电单晶复合材料，显著高于对比例4不添加SrTiO3或对比例5添加过量的SrTiO3制得的压电单晶复合材料，结果表明，本发明可以有效的提高压电单晶复合材料的介电性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以MgO和Nb2O5为原料于1000-1200℃合成MgNb2O6，随后加入PbO合成Pb(Mg1/3Nb2/3)O3；以Pb3O4和TiO2为原料在550-700℃条件下合成PbTiO3；
(2)将步骤(1)制得的PbTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3混合，加入助溶剂后高温熔化，降温后进行球磨，烘干，制得PMNT粉体；
(3)将步骤(2)制得的PMNT粉体与模板材料混合，加入溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂后，进行二次球磨，过滤得流延液；
(4)将步骤(3)制得的流延液流延成型，干燥，裁剪，叠层，然后依次经冷等静压、热压烧结和常压退火烧结后制得。
2.根据权利要求1所述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中MgO、Nb2O5和PbO的摩尔比为0.8-1.2：0.8-1.2：2.8-3.2；Pb3O4和TiO2的摩尔比为0.8-1.2：2.8-3.2。
3.根据权利要求1所述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中PbTiO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3按照PMNT通式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，0＜x＜1进行配料；助溶剂为PbO，PMNT和PbO的摩尔比为100：1-10；高温熔化的温度为1400-1600℃；球磨的条件为：溶剂为无水乙醇和丁酮的共沸液，同时加入分散剂，在球磨机中发酵20-30h后进行球磨混合；烘干的温度为75-85℃，时间为10-24h。
4.根据权利要求1所述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的模板材料的添加量为PMNT粉体质量分数的5-10％，所述模板材料包括SrTiO3和SrBi4Ti4O15中的至少一种；PMNT粉体、溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂的质量比为55-60：25-35：1.5-2.5：2.5-3.5：4-6；粘结剂为PVA水溶液，浓度为6.5-7.5g/mL；塑性剂为聚乙二醇和邻苯二甲酸二丁酯的混合物。
5.根据权利要求1所述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中热压烧结的条件为以0.2-0.4℃/min的速度升温至90-110℃后保温50-70min，然后继续升温至480-520℃保温5-7h；常压退火烧结的条件为以4-6℃/min的速度升温至1100-1200℃，保温9-11h。
6.一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料，其特征在于，通过权利要求1-5任一项所述的制备方法制得。
7.权利要求6所述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料在制备混合激励换能器中的应用。
8.根据权利要求7所述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料在制备混合激励换能器中的应用，其特征在于，还引入磁致伸缩材料。
9.根据权利要求8所述的低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料在制备混合激励换能器中的应用，其特征在于，所述磁致伸缩材料包括Terfenol-D。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311395289.7A CN117460389A (zh) | 2023-10-25 | 2023-10-25 | 一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311395289.7A CN117460389A (zh) | 2023-10-25 | 2023-10-25 | 一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117460389A true CN117460389A (zh) | 2024-01-26 |
Family
ID=89594210
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311395289.7A Pending CN117460389A (zh) | 2023-10-25 | 2023-10-25 | 一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117460389A (zh) |
-
2023
- 2023-10-25 CN CN202311395289.7A patent/CN117460389A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5511447B2 (ja) | 圧電材料、その製造方法及び圧電素子 | |
| Chen et al. | High-frequency ultrasonic transducer fabricated with lead-free piezoelectric single crystal | |
| Zhang et al. | Piezoelectric shear coefficients of Pb (Zn1/3Nb2/3) O3–PbTiO3 single crystals | |
| CN103172373A (zh) | 三元铁电固溶体铌镱酸铅-铌锌酸铅-钛酸铅 | |
| CN103360068A (zh) | 锰锑掺杂的锆钛酸铅压电陶瓷 | |
| CN111269009A (zh) | 一种锆锰酸铋-钪酸铋-钛酸铅系压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN110845230A (zh) | 一种三元系铌钪酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷及其制备方法 | |
| JP2008258183A (ja) | 製法及び応用を含む圧電セラミック材料 | |
| Yang et al. | An ultrasonic therapeutic transducers using lead-free Na0. 5K0. 5NbO3–CuNb2O6 ceramics | |
| CN108373329A (zh) | 一种基于PLZST/P(VDF-co-TrFE)的复合薄膜的制备方法 | |
| Kawada et al. | Relationship between vibration direction and high-power characteristics of< 001>-textured SrBi2Nb2O9 ceramics | |
| CN103011815B (zh) | 三元铁电固溶体铌镥酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅 | |
| KR100824379B1 (ko) | 압전 세라믹스, 이의 제조 방법 및 압전 소자 | |
| CN104230333A (zh) | 一种高温压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN117460389A (zh) | 一种低介损高机电耦合系数的压电单晶复合材料及其制备方法与应用 | |
| Ogawa et al. | High-power piezoelectric characteristics of textured bismuth layer structured ferroelectric ceramics | |
| US6118209A (en) | Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric transformer | |
| Wang et al. | MnCO3 modified PMN-PZT piezoelectric ceramics with enhancing mechanical quality factor and low loss | |
| CN110078508B (zh) | 一种锰掺杂铌铟锌酸铅-钛酸铅压电陶瓷、制备方法及其应用 | |
| JP2022132883A (ja) | 圧電振動子及びその製造方法 | |
| Choy et al. | 0.90 (Bi 1/2 Na 1/2) TiO 3–0.05 (Bi 1/2 K 1/2) TiO 3–0.05 BaTiO 3 transducer for ultrasonic wirebonding applications | |
| CN103710754A (zh) | 铁电压电单晶铌钬酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅及制备与用途 | |
| Dudkina et al. | Features of the technology for producing multicomponent ferropiezoelectric materials | |
| JP3213849B2 (ja) | 圧電磁器組成物 | |
| Tsai et al. | The improvement of dynamic characteristics of ultrasonic therapeutic transducers using fine-grain PZT-based piezoceramics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |