CN117580437A - 硅酸铋晶体压电切型及其在高温导波压电换能器中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压电晶体和结构健康监测领域，具体涉及一种硅酸铋晶体压电切型及其在高温导波压电换能器中的应用。所述硅酸铋晶体化学通式为Bi12SiO20，结晶于立方晶系，所述硅酸铋晶体压电切型为晶体的X‑切型、Y‑切型和Z‑切型绕着X轴旋转角度α或绕着Y轴旋转角度β或绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体，所述X轴、Y轴和Z轴分别平行于<100>、<010>和<001>晶体学轴。本发明针对硅酸铋晶体的压电振动模态，设计了兼具高压电响应和纯面切变振动模态晶体切型。本发明设计的压电晶体切型能够在宽频率范围内激励和检测出高信噪比的单模态的SH0波，且具有高的服役温度，在高温结构健康监测技术领域有明朗的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于压电晶体和结构健康监测领域，具体涉及一种硅酸铋晶体压电切型及其在高温导波压电换能器中的应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
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，由压电材料的面切变振动模态激发的水平剪切波(SH波)是板状结构中唯一非频散的导波，可以简单有效地收集和处理信号；而且，SH波振动只有面内位移，传播受到周围介质的影响较小；除此之外，SH波穿过缺陷或边界传播时，模式转换更少，从而延长了检测距离。因此，基于压电材料面切变振动模态激发的SH波，在无损探伤和结构健康监测技术等领域有着明朗的应用前景。
虽然SH波具有许多独特的优势，但受压电材料本身振动模态的影响，目前开发的压电材料很难有效地激励和检测出纯的SH0波。目前公开的稀土磷酸盐晶体虽然具有纯的面切变振动模态，能够激励和检测出纯的SH0波，但稀土磷酸盐系列晶体的压电活性较低，无法激励出高信噪比的SH0波。而且，基于稀土磷酸盐晶体制备的压电换能器具有较低的输出灵敏度，限制了其在无损探伤和结构健康监测中的应用范围。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种硅酸铋晶体压电切型及其在高温导波压电换能器中的应用。本发明的硅酸铋晶体压电切型兼具高压电响应和纯面切变振动模态的优势，能够激励和检测出高信噪比的单模态SH0波，在高温结构健康监测技术等领域具有重要的应用价值。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，所述硅酸铋晶体化学通式为Bi12SiO20，结晶于立方晶系23点群，所述硅酸铋晶体压电切型为晶体的X-切型、Y-切型或Z-切型绕着X轴旋转角度α或绕着Y轴旋转角度β或绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体，所述X轴、Y轴和Z轴分别平行于<100>、<010>和<001>晶体学轴。
优选的，-30°≤α≤30°。
进一步优选的，硅酸铋晶体的X-切型绕着X轴旋转角度α进行切割获得的硅酸铋晶体压电切型的有效压电常数d14>20pC/N。
优选的，-30°≤β≤30°。
进一步优选的，硅酸铋晶体的Y-切型绕着Y轴旋转角度β进行切割获得的硅酸铋晶体压电切型的有效压电常数d25>20pC/N。
优选的，-30°≤γ≤30°。
进一步优选的，硅酸铋晶体的Z-切型绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的硅酸铋晶体压电切型的有效压电常数d36>20pC/N。
优选的，将上述不同晶体切型加工成方片状、长方片状、圆片状或梯形状。
进一步优选的，将上述压电切型加工成方片状或圆片状；优选的，方片状的尺寸是6mm×6mm×1.5mm；圆片状的直径为6mm，厚度为1mm。本发明硅酸铋晶体压电切型的形状及尺寸不限于此。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的硅酸铋晶体压电切型在高温结构健康监测中的应用。
第三方面，本发明提供了如第一方面所述的硅酸铋晶体压电切型在高温导波压电换能器中的应用。
第四方面，本发明提供了一种高温导波压电换能器，所述高温导波压电换能器的敏感元件为如第一方面所述的硅酸铋晶体压电切型。
上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：
本发明针对硅酸铋晶体的压电振动模态，设计了兼具高压电响应和纯面切变振动模态晶体切型。本发明设计的压电晶体切型能够在宽频率范围内激励和检测出高信噪比的单模态SH0波，且具有高的服役温度范围，在高温结构健康监测技术领域有明朗的应用前景。
本发明的压电晶体切型，加工方法简单，只需要确定X、Y或Z轴所在方向，然后在±30°范围内旋转便可直接加工出最优晶体切型，样品制备简便。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为硅酸铋晶体最优压电切型的坐标图：其中，(a)为沿X轴切割获得的切型，(b)为沿Y轴切割获得的切型，(c)为沿Z轴切割获得的切型；
图2为面切变压电系数绕X、Y和Z轴旋转数值变化分布图：其中，(a)为压电系数d14图，(b)为压电系数d25图，(c)为压电系数d36图；
图3为压电常数d14在空间中分布示意图；
图4为本发明硅酸铋晶体压电切型的振动模态图：其中，(a)为谐振和相位频谱，(b)为面切变形变图；
图5为本发明的硅酸铋晶体压电晶体切型作为高温导波压电换能器敏感元件在宽频范围内激励和检测SH0波的幅值图。
具体实施方式
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种硅酸铋压电晶体切型，对于立方晶系硅酸铋晶体，物理学坐标轴X轴、Y轴和Z轴分别平行于晶体学<100>、<010>和<001>晶体学轴，确定出硅酸铋晶体的物理学轴方向，所述的硅酸铋压电晶体切型为X-切型沿X轴切割即可获得兼具高压电响应和纯面切变振动模态的压电切型，样品切型示意图如图1中的(a)所示。
最优晶体切型验证：
针对硅酸铋压电晶体，通过研究得到，该晶体的压电系数d14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，其数值变化可用公式(1)-(3)表示：
d′14＝d14*(cos2α-sin2α) (1)
d′14＝d14*(cos2β-sin2β) (2)
d′14＝d14*(cos2γ-sin2γ) (3)
通过上式可以得到，硅酸铋压电晶体的压电系数d14绕X轴，Y轴和Z轴旋转是等效的，且数值呈现减小的趋势，如图2中的(a)所示，因此压电系数d14最优的晶体切型可确定为X/0°。
实施例2
一种硅酸铋压电晶体切型，对于立方晶系硅酸铋晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学<100>、<010>和<001>晶体学轴，确定出硅酸铋晶体的物理学轴方向，所述的硅酸铋压电晶体切型为Y-切型沿Y轴切割即可获得兼具高压电响应和纯面切变振动模态的压电切型，样品切型示意图如图1中的(b)所示。
最优晶体切型验证：
针对硅酸铋压电晶体，通过研究得到，该晶体的压电系数d25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，其数值变化可用公式(4)-(6)表示：
d'25＝d25*(cos2α-sin2α) (4)
d'25＝d25*(cos2β-sin2β) (5)
d'25＝d25*(cos2γ-sin2γ) (6)
通过上式可以得到，硅酸铋压电晶体的压电系数d25绕X轴，Y轴和Z轴旋转是等效的，且数值呈现减小的趋势，如图2中的(b)所示，因此压电系数d25最优的晶体切型可确定为Y/0°。
实施例3
一种硅酸铋压电晶体切型，对于立方晶系硅酸铋晶体，物理学坐标轴X、Y和Z轴分别平行于晶体学<100>、<010>和<001>晶体学轴，确定出硅酸铋晶体的物理学轴方向，所述的硅酸铋压电晶体切型为Z-切型沿Z轴切割即可获得兼具高压电响应和纯面切变振动模态的压电切型，样品切型示意图如图1中的(c)所示。
最优晶体切型验证：
针对硅酸铋压电晶体，通过研究得到，该晶体的压电系数d36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，其数值变化可用公式(7)-(9)表示：
d′36＝d36*(cos2α-sin2α) (7)
d′36＝d36*(cos2β-sin2β) (8)
d′36＝d36*(cos2γ-sin2γ) (9)
通过上式可以得到，硅酸铋压电晶体的压电系数d36绕X轴，Y轴和Z轴旋转是等效的，且数值呈现减小的趋势，如图2中的(c)所示，因此压电系数d36最优的晶体切型可确定为Z/0°。
综合实施例1、实施例2和实施例3，发现硅酸铋压电晶体的面切变压电系数d14、d25和d36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的数值变化是等效的，因此压电系数在X-Y平面、X-Z平面和Y-Z平面是全然等同的，其压电系数d14空间分布示意图如图3所示。
实施例4
实施例1、实施例2和实施例3所述的硅酸铋压电晶体切型，实验测得的谐振和相位频谱如图4中的(a)所示，从图中可以看出，所设计的硅酸铋压电晶体切型在140kHz～220kHz频率范围内只有面切变振动模式；通过获得的硅酸铋晶体的电弹常数矩阵，对所设计的硅酸铋压电晶体切型进行了有限元仿真分析，其形变图如图4中的(b)所示。从图中可以看出，所设计的压电晶体切型，在一定频率内是一个典型的面内剪切变形，无其它振动模态的干扰。
实施例5
图5展示了本发明实施例的硅酸铋压电晶体切型作为导波压电换能器敏感元件在1mm厚的铝板上不同频率下激励和检测SH0波的实验结果，其中所采用的压电敏感元件形状为方片状。从图中可以清晰的看到，本发明的压电晶体切型可在100kHz～325kHz的宽频范围内激励和检测出兼具高信噪比和单模态的SH0波，在高温结构健康监测中具有重要的应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，所述硅酸铋晶体化学通式为Bi12SiO20，结晶于立方晶系23点群，所述硅酸铋晶体压电切型为晶体的X-切型、Y-切型或Z-切型绕着X轴旋转角度α或绕着Y轴旋转角度β或绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的晶体，所述X轴、Y轴和Z轴分别平行于<100>、<010>和<001>晶体学轴。
2.如权利要求1所述的硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，-30°≤α≤30°。
3.如权利要求2所述的硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，硅酸铋晶体的X-切型绕着X轴旋转角度α进行切割获得的硅酸铋晶体压电切型的有效压电常数d14>20pC/N。
4.如权利要求1所述的硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，-30°≤β≤30°。
5.如权利要求4所述的硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，硅酸铋晶体的Y-切型绕着Y轴旋转角度β进行切割获得的硅酸铋晶体压电切型的有效压电常数d25>20pC/N。
6.如权利要求1所述的硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，-30°≤γ≤30°。
7.如权利要求4所述的硅酸铋晶体压电切型，其特征在于，硅酸铋晶体的Z-切型绕着Z轴旋转角度γ进行切割获得的硅酸铋晶体压电切型的有效压电常数d36>20pC/N。
8.如权利要求1-7任一项所述的硅酸铋晶体压电切型在高温结构健康监测中的应用。
9.如权利要求1-7任一项所述的硅酸铋晶体压电切型在高温导波压电换能器中的应用。
10.一种高温导波压电换能器，其特征在于，所述高温导波压电换能器的敏感元件为如权利要求1-7任一项所述的硅酸铋晶体压电切型。
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