一种铌酸盐系宽带压电换能器材料及其制备方法技术

一种铌酸盐系宽带压电换能器材料，其组成化学式为：[(PbxBa1-x)1-3y/2Lay]Nb2O6+mCeO2+nTiO2；m和n为质量摩尔数，x＝0.45-0.70，y＝0.05-0.10；m＝0.02-0.05，n＝0.02-0.05；制备步骤如下：按组成化学式的质量摩尔数配料；湿法球磨混合配料；烘干后压块得合成料块：合成料块粗碎后经二次湿法球磨，烘干后加聚乙烯醇造粒得成型坯体；将成型坯体在马弗炉中保温排胶得素坯；将素坯放入氧化铝坩埚中，微波烧结成瓷；瓷体上电极后，油浴中极化得铌酸盐系宽带陶瓷压电材料；其耦合系数kt＝0.42，机械品质因子Qm＝7-15，可直接实现宽带换能器设计需求。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种铌酸盐系宽带压电换能器材料，其组成化学式为：Nb2O6+mCeO2+nTiO2；m和n为质量摩尔数，x＝0.45-0.70，y＝0.05-0.10；m＝0.02-0.05，n＝0.02-0.05；制备步骤如下：按组成化学式的质量摩尔数配料；湿法球磨混合配料；烘干后压块得合成料块：合成料块粗碎后经二次湿法球磨，烘干后加聚乙烯醇造粒得成型坯体；将成型坯体在马弗炉中保温排胶得素坯；将素坯放入氧化铝坩埚中，微波烧结成瓷；瓷体上电极后，油浴中极化得铌酸盐系宽带陶瓷压电材料；其耦合系数kt＝0.42，机械品质因子Qm＝7-15，可直接实现宽带换能器设计需求。【专利说明】
本专利技术属于换能器领域中的一种宽带压电换能器材料及其制备方法，更确切地说，涉及的是一种铌酸盐系宽带压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
超声波作为有效的信息载体，被广泛地应用于生物医学图像、工业无损检测以及水下声纳等领域。在众多类型的超声换能器中，压电超声换能器是应用最为广泛的一种。由于其具有以下的优点:在高频范围，压电超声换能器能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动发射器；结构简单，易于激励；此外还易于成型和加工，因而被广泛的应用于许多不同的场合。作为发射和接收超声波的核心器件，压电超声换能器的性能直接决定着超声系统的性能。随着信号处理不断发展，势必要求从压电换能器获取越来越多的信息量，而通常压电换能器的机械品质因子Qm值较高，频率带宽较窄，在声信号的接收和发射中，工作频率范围有限，难以提供较多的信息量，无法满足实际的应用需求。比如水声换能器领域，水声设备对信号的产生、检测和处理能力不断地提高，迫切需要产生和探测更宽频率范围内声信号的水声压电换能器；在生物医学图像和工业无损检测领域中，采用宽频带接收压电换能器，能够接收高次谐波响应，可以研究设备的非线性效应，另外，压电换能器具有尽可能宽的频率带宽，在时域内产生尽可能短的脉冲信号，就能大大地提高超声成像技术的分辨率，因此，研究和设计宽频带压电换能器是近年来的重要课题之一。目前，拓展压电换能器带宽最主要的方法就是采用多模耦合的方法，这是由于压电换能器工作在基频附近时，响应最大但带宽不宽。当压电换能器工作在较高频率时，由于相位的变化，会在二阶共振模态处产生一个抵消作用，这会在响应曲线上产生一个凹谷，从而限制了换能器的工作带宽。因此，消除在基频工作模态的质量控制区域和三阶工作模态的刚度控制区域的180度相位差所产生的工作模态间的抵消作用，就需要特别精心地设计在这些工作模态之间引入一个附加相位变化，从而拓展换能器的工作带宽。毫无疑问地是，这给压电换能器的设计增加了难度，大大提高了结构的复杂性，同时也给宽带换能器的制作带来了许多的问题；比如采用增加匹配层时产生多模耦合时，通常由无机相和有机相复合而成的所需匹配层，往往存在着一致性和重复性难以控制以及难以与异形换能器进行一体化的问题。压电材料是压电换能器自身的核心部件，如果能够采用低机械品质因子的压电材料来实现宽带，就可以避免压电换能器结构上的困难，能更好地满足应用需求。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种具有低机械品质因子Qm的铌酸盐系宽带压电陶瓷材料及其制备方法，以实现由压电换能器的核心部件-压电材料上直接实现带宽的拓展，而无需在宽带压电换能器的结构上进行复杂设计，大大降低了设计难度，简化了制作工艺，提高了性能的可靠性，经济合理，是一种非常行之有效地办法；用该铌酸盐系宽带压电陶瓷材料制作的压电换能器可通过具有压电效应的电介质将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换，避免了在设计宽带压电换能器时结构复杂的巨大挑战。本专利技术的技术方案如下:本专利技术提供的铌酸盐系宽带压电陶瓷材料，其组成化学式为:Nb206+mCe02+nTi02 ； Nb2O6固溶体。本专利技术提供的铌酸盐系宽带压电陶瓷材料的制备方法，其具体制备步骤如下:(I)按组成化学式Nb206+mCe02+nTi02中质量摩尔数化学计量比称重原料配料得混合配料，m和η为质量摩尔数，χ = 0.45-0.70, y = 0.05-0.10 ；m =0.02-0.05，η = 0.02-0.05 ;称重的原料为分析纯的 Pb3O4'BaCO3'La2O3'TiO2'Nb2O5、和 CeO2 ；(2)将混合配料进行湿法球磨得球磨混合料，烘干后压块合成得合成料块:以以SO-1OO0C /min的速度升至960°C，并保温2小时后，直接取出降至室温得合成料块；(3)将合成料块粗碎后进行二次湿法球磨，烘干后按重量的8?〖％的量加入PVA聚乙烯醇粘结剂(聚乙烯醇粘结剂的重量浓度为6wt% )造粒，造粒成型压力为150MPa得成型坯体；(4)将成型坯体在800-900°C的马弗炉中保温2_4小时排胶得素坯；(5)将素坯放 入氧化铝坩埚中烧结成瓷体；(6)将烧结的瓷体上电极后，油浴中进行极化得铌酸盐系宽带陶瓷压电材料，所得铌酸盐系宽带压电陶瓷材料的组成化学式为: Nb206+mCe02+nTi02 ；[(PbxBa1J1^y72LayINb2O6为基体，CeO2和TiO2为添加物；其中，m和η为质量摩尔数，且χ =0.45-0.70，y = 0.05-0.10 ；m = 0.02-0.05，η = 0.02-0.05。所述步骤(2)的湿法球磨为:球磨介质为酒精和氧化锆球，其中，混合配料:氧化错球:酒精的重量份配比为2:1:0.5,在600转/分的转速下球磨3h得球磨混合料。所述步骤(3)的二次湿法球磨为:球磨介质为水和氧化锆球，粗碎后的合成料:氧化错球:水的重量份配比为2:1:1,在300转/分转速下球磨12h得二次球磨料；所述步骤(5)烧结条件为:以5-8°C /min的速度升至1150_1250°C，保温10分钟后，降至1100°C保温20-30分，然后自然冷却到室温。所述步骤(6)的极化条件为150°C油浴中，施加的直流电压为4000-6000V/mm，油浴极化时间20-40分。对本专利技术的铌酸盐系宽带压电陶瓷材料的压电元件进行性能测试:采用JSM-LV5610扫描电镜测试样品的微结构，采用安捷伦4294A阻抗分析仪测量电容，根据样品尺寸计算出相对介电常数ε33τ;而测出的谐振和反谐振频率可以按国家标准GB/Τ11320-1989计算出机电耦合系数Kt ;本专利技术以铌酸盐系压电材料为基体，通过引入合适的少量置换和掺杂的化学改性办法，采用特殊的预烧和烧结工艺处理，使得铌酸盐类压电材料内部的微观结构无序化得到提高，可以极大地改善其机械品质因子。本专利技术的有益之处在于:(I)本专利技术的铌酸盐系宽带压电陶瓷材料具有的高机电耦合系数kt达到0.42 ;同时具有较低的机械品质因子Qm，Qm可以达到7_15，极适合宽带换能器的制作；(2)本专利技术的铌酸盐系宽带压电陶瓷材料避免了宽带压电换能器在结构上需进行复杂设计，直接由该功能材料实现宽带需求，大大降低了设计的难度，简化制作工艺，(3)本专利技术的铌酸盐系宽带压电陶瓷材料的宽带压电材料制作简易、性能可靠，是实现宽带的一种有效方法。【专利附图】【附图说明】:图1为本专利技术的实施例5组分为:Nb206+0.02molCe02+0.02molTi0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌酸盐系宽带压电陶瓷材料，其组成化学式为：[(PbxBa1‑x)1‑3y/2Lay]Nb2O6+mCeO2+nTiO2；[(PbxBa1‑x)1‑3y/2Lay]Nb2O6为基体材料，CeO2和TiO2为添加材料；其中，m和n为质量摩尔数，且x＝0.45‑0.70，y＝0.05‑0.10；m＝0.02‑0.05，n＝0.02‑0.05。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：温建强，章力旺，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11