切向极化压电陶瓷晶堆中扭转振动的传播速度研究

随着超声马达、超声塑料焊接、超声疲劳试验以及超声旋转加工等新技术的发展,扭转振动超声换能器的理论及实验研究受到了普遍重视。在功率超声领域,类似于纵向振动夹心式换能器的扭转振动夹心换能器具有结构简单、机电转换效率高等优点。在纵向振动夹心式换能器中,压电激励元件为轴向极化的压电陶瓷晶堆,而对于扭转振动夹心式换能器,其激励元件为切向极化的压电陶瓷晶堆。文献[1]对夹心式扭转振动超声换能器进行了研究,推出了压电晶堆扭转振动的等效电路以及换能器的共振频率方程。在此基础上,本文对晶堆中的扭转振动传播速度进行了进一步的研究,试图为夹心式扭转振动超声换能器的理论及实验研究提供较系统的设计理论。     

一种扭转压电复合材料

压电复合材料由于集中了压电相和非压电相各自的优点而得到了深入研究和广泛应用。2-2型压电复合材料的压电相和非压电相均在两个方向上自我连通。在直角坐标系中,两相材料呈层状间隔排列。在柱坐标系中,两相材料可以在轴向和切向分别自我连通,即同轴沿径向间隔排列。为作区别,称前者为普通2-2型压电复合材料,称后者为圆柱2-2型压电复合材料。后者的一个用途是产生扭转振动。 本文以圆柱2-2型压电复合材料为基础,使压电相的极化方向沿圆周一致排列,制成具有扭转振动的拼接2-2型压电复合材料。本文给出了两片这种压电材料晶片的参数,制作了产生扭转振动的横波换能器,测试了换能器的偏振特性,分析了接收波列中纵波抑制较强的原因。这种压电材料的特性阻抗较低,易于与岩石等材料匹配,提高了换能器的灵敏度。     

(1-x)Pb(Sc_(1/2)Ta_(1/2))O_3-(x)PbTiO_3二元系铁电陶瓷的压电特性

已有的研究表明,二元系铁电陶瓷(1-x)Pb(Sc_(1/2)Ta_(1/2))O_3-(x)PbTiO_3在介电、热电、光电方面都有广阔的应用前景.本文研究了该材料的压电特性,发现在准同型相界(x=0.45)附近,压电应变常数d_(33)和机电耦合系数k_t,k_p,k_(33)达到极值,而机械品质因数Q_m达到最小值.这种具有高机电耦合特性和低Q_m的压电材料特别适用于制备宽带滤波器、水声换能器及医学超声换能器件.     

巨压电弛豫铁电单晶及其在医用超声换能器中的应用

压电材料是一类非常重要的多功能材料。它可以实现机械能和电能之间的相互转换,在机电器件和电声领域有广泛的应用。基于宽频带超声波换能器、高灵敏度传感器和大应变执行器等压电器件的发展需求,迫切地需要研发出具有更大压电应变常数和更高机电耦合系数的压电材料。弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅(化学分子式(1-x)Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-xPbTiO_3简称PMN-xPT或PMN-PT)及其同类单晶(简称弛豫铁电单晶)的发现恰逢其时,它们所具有的巨压电性和极高的机电耦合系数使得很多机电器件的性能有了一次大幅度的改进。例如:PMN-33%PT单晶的压电常数d_(33)高达2800 pC/N,是通用的压电材料PZT压电陶瓷的5倍,其机电耦合系数k_(33)也高达94%,而最好的PZT的机电耦合系数k_(33)也只能达到70%。本文系统地介绍了弛豫铁电单晶材料及其在医用超声换能器方面的应用进展。     

无机法制备Si-B-C-N系非晶/纳米晶新型陶瓷及复合材料研究进展

可以在高温氧化、剧烈热震、燃气流烧蚀等苛刻条件下服役的新型高温结构和多功能防热材料是现代航空航天技术发展的迫切需求之一.Si-B-C-N系非晶及纳米晶复相陶瓷组织结构独特,高温性能优异,在高温结构和多功能防热领域极具应用潜力.有机聚合物先驱体裂解法(有机法)在致密Si-B-C-N系块体陶瓷的制备方面受限,哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所开创的机械合金化-热压法(无机法)工艺简单,制备材料组织结构均匀、性能优良,成为Si-B-C-N系致密块体陶瓷和耐高温构件的有效制备手段,弥补了有机法的不足,对于丰富和完善该材料的实验数据和理论研究具有重要意义.本文综述了无机法制备Si-B-C-N系陶瓷及复合材料在显微组织结构特征及演变规律、力学和热物理学性能、抗氧化性能、抗热震性能、耐烧蚀性能和相关机理分析等方面的新近成果,并展望了其发展趋势.     

数据挖掘驱动的BiFeO_3-BaTiO_3铁电陶瓷元素替代效应

传统的材料研究方式是耗时费力的试错法,现代材料科学研究方式转向基于材料信息学(material informatics)理论的数据生产和利用——采用各种数据挖掘方法以发现材料数据下隐藏的构效关系和知识,对新材料进行预测和验证.在总结过去对钙钛矿结构氧化物铁电材料数据挖掘实践结果的基础上,选择多种不同原(离)子特征组合的元素对BiFeO_3-BaTiO_3(BF-xBT)铁电固溶体陶瓷进行替代实验,重点探索三方-赝立方结构相界附近组分的BF-xBT基三元固溶体陶瓷的铁电相变和介电、压电响应性能.实验发现替代元素的性质是BF-xBT基三元固溶体陶瓷制备工艺条件和介电损耗、压电响应等电学性质的决定因素,Bi(Zn_(1/2)Ti_(1/2))O_3是当前发现的对BF-xBT基固溶体陶瓷进行改性、获得可工程实用的高性能高温压电陶瓷新材料的有效组元.与现有商用偏铌酸铅和钛酸铋系压电陶瓷材料相比,它们可采用相同的固相反应电子陶瓷工艺制备、但具有更高压电响应等综合性能,为研制高灵敏高温压电传感器提供了新材料选项.     

n-型SrTiO3陶瓷与p-型聚苯胺复合材料的研究

对于功能复合材料,因复合后能加强某一特性,甚至能产生出新的特性来,所以复合是开发材料性能的独特途径.鉴于近期发展起来的p-型导电高分子材料聚苯胺的各种优良特性,如电变色特性、吸波特性等.为了开发应用,首先应从理论上对其结合的界面特性,可否形成一种p-n结接触进行研究和探讨.通过对n-SrTiO_3陶瓷上复合p-PAn的研究和探讨,证实该复合界面为p-n异质结结构,进一步的研究还需做大量的工作.1 实验过程及测试(1)n-型半导体钛酸锶陶瓷(n-SrTiO_3)的制备.工艺流程图为:配料—球磨混料—干燥—过80目筛—预合成—造粒—成型—排胶—烧成其中,配粒比例为SrCO_3:TiO_2O_5=1:1.01:0.013.球磨时,料:球:水=1:4:2.5.预合成的温度是1200℃下保温2h,空气气氛.烧成的温度是1420～1460℃下,通N_2的还原气氛下.     

提高(K0.5Na0.5)NbO3 陶瓷压电性能温度稳定性的新方法

分析了(K_0.5Na_0.5)NbO₃(简写为KNN)基陶瓷压电性能温度稳定性差的原因, 结合KNN固溶体的相图, 提出了解决KNN 基陶瓷压电性能温度稳定性差的新方法. 为了验证此方法的可行性, 设计了 0.9(K_1-xNa_x)NbO₃-0.06LiNbO₃-0.04CaTiO₃(简记为KNLN-CaTiO₃)陶瓷. 系统研究了KNLN-CaTiO₃ 陶瓷的结构和性能. 实验结果表明: KNLN-CT(x=0.54)陶瓷在宽阔的温度范围(25~320℃)内表现出良好的温度稳定性, 在 x=0.54 处获得了相对较高的压电性能(d₃₃=152pC/N). 这个结果证实了我们提出的解决KNN 基陶瓷压电性能温度稳定性差的方法是可行的,具有使用价值.     

中温烧结SBN铁电陶瓷的制备与性能

在压电陶瓷领域中,钨青铜结构的铌酸盐是最优秀的铁电材料之一.单晶铁电钨青铜结构中铌酸盐具有优良的电光性能,Van Damme报道Sr_xBa_(1-x)Nb_2O_6陶瓷有类似于单晶的性能,Kimura研究了KSr_2Nb_5O_(15)铁电材料,探讨了其Curie温度和介电常数与显微结构的关系.本文报道的Sr_(1-x)Ba_xNb_2O_6(SNB)可用来做电容器材料,有介质电系数高、容量随温度变化小、介质损耗小、绝缘电阻高等优点.较之以前报道过的此类材料各项参数均有显著的改进.     

超高温陶瓷复合材料的研究进展

超高温陶瓷复合材料主要由ZrB2,ZrC,HfB2,HfN,HfC,TaC等过渡族难熔硼化物、碳化物和氮化物组成,这些材料的熔点高于3000℃,是一类非常重要的高温结构材料,近年来在基础研究和技术应用方面均受到了极大的关注.在超高温陶瓷复合材料家族中,ZrB2-SiC和Hf B2-SiC基超高温陶瓷复合材料因具有优异的综合性能,包括优异的抗氧化/烧蚀性能、良好的高温强度保持率和适中的抗热冲击性能,可以在2000℃以上的氧化环境中长时间使用.这些独特的性能使得它们成为高超音速飞行、再入大气层和火箭推进等极端环境下使用的最有前景的候选材料.本文对超高温陶瓷复合材料的制备、力学性能、抗热冲击性能、抗氧化/烧蚀性能和热响应进行了全面的综述.对超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系进行了详细的讨论,同时添加剂对材料性能的影响也进行了讨论,这为超高温陶瓷复合材料在特定使用环境的综合性能的优化提供了有效的设计原则和方法.此外,本文还指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战,并对未来的发展趋势作了展望.     

形状退磁因子对层状磁电复合材料的影响

传统层状磁电复合材料理论模型认为层状磁电复合材料的磁电性能只与压电和压磁原材料以及层厚比有关, 而与其面内尺寸(长度和宽度)无关. 研究了面内尺寸对层状磁电复合材料的磁电性能的影响. 结果表明, 层状磁电复合材料的磁电性能强烈依赖于其面内尺寸, 根本原因是由于尺寸的变化导致了形状退磁因子的变化, 从而引起磁电性能的变化. 从理论和实验上证明了随着面内尺寸的变化, 磁电性能将明显变化. 随着面内尺寸的增加, 层状磁电复合材料的磁电性能将逐渐增加. 这可为磁电器件的合理设计提供依据并推动磁电器件的发展.     

新型弛豫型铁电单晶PMNT的铁电与压电性能

用改进的Bridgman法生长出尺寸达40mm× 80mm的新型弛豫型铁电单晶PMNT .对其铁电、压电性能的表征研究表明 ,该晶体的性能随组分与切型变化 . ( 0 0 1 )切型的PMNT76 /2 4单晶的介电常数ε为 34 0 0左右 ,介电损耗tanδ <0 .7% ,压电常量d3 3 达到 980pC/N ,机电耦合因数kt 为 0 .5 5 ,Tc 约为 1 1 0℃ . ( 0 0 1 )切型的PMNT 6 7/33单晶的ε达 5 30 0左右 ,tanδ <0 .6 % ,d3 3 最大达 30 0 0pC/N ,kt 达 0 .6 4 ,k3 3 达 0 .93,Tc 约为 1 5 0℃ . ( 1 1 0 )与 ( 1 1 1 )切型的压电性能远低于 ( 0 0 1 )切型 .用此法生长的三方相的PMNT单晶的压电性能超过传统的高温溶液法 ,且其kt 值亦大于三方相的PZNT单晶 .PMNT单晶的铁电与压电性能尚存在一定的波动 ,这与晶体成分均匀性与单畴化程度等因素有关 .     

复合材料Terfenol-D/PMNT的磁电和逆磁电响应

给出了Terfenol-D/PMN-PT/Terfenol-D(TD/PMNT/TD)和PMNT/TD/PMNT两种层状复合材料的磁电和逆磁电响应的测试方法和测试结果. 这两种复合结构的优化直流偏置磁场大小均为350 Oe(1 Oe=79.58 A/m). 在1 kHz频率下, 这两种复合材料的最大磁电电压系数分别为384 mV/Oe和158 mV/Oe, 最大逆磁电系数分别为118 mG/V和162 mG/V (1 G = 10^-4 T). 另外研究了这两种复合材料在谐振频率下的磁电响应. 通过对两种复合结构的比较得知, 磁致/压电/磁致复合结构具有好的磁电响应; 而压电/磁致/压电复合结构具有好的逆磁电响应. 这一结果有助于优化设计高性能压电/磁致复合磁电材料.     

高温结构陶瓷受静疲劳作用时声发射行为及断裂预测

高温结构陶瓷具有优异的耐腐蚀、耐磨损、耐高温性能,在高科技领域中具有广阔的应用前景.但其可靠性低的致命弱点却使它在实际应用中受到限制.本文通过声发射换能器检测出高温结构陶瓷受静疲劳作用时的声发射信号,探索在静疲劳下声发射信号与结构陶瓷中裂纹形成、扩展的关系,发现结构陶瓷在断裂前其声发射计数率具有明显不同的变化规律,从而可以用声发射预测受静疫劳作用的陶瓷材料的断裂,这对确保陶瓷材料使用可靠性具有重大意义.     

TiC/Ni3Al复合材料的低温致密化

TiC由于其低密度、高硬度、易加工性,以及与铁族金属的良好接合性而被广泛用于硬质工具材料及其他金属-陶瓷复合材料;另一方面,Ni_3Al金属间化合物在900℃附近具有独特的高温强度和高温抗氧化特性,被认为是金属-陶瓷复合材料中金属相的优选材料.已有的研究表明,TiC汇与Ni_3Al具有良好的界面相容性,TiC和Ni_3Al组成的复合材料具有很高的强度,所以,选择Ni_3Al和TiC作为热应力缓和型梯度材料的金属相和陶瓷相而得到的TiC/Ni_3Al系FGM(functionally graded materials)材料将能够抵抗由于大温度落差而产生的巨大的热应力.但是,由于TiC与Ni_3Al的烧结温度之间差别很大(前者最低为1800℃,后者最高为1300℃),热压温度只能控制在1300℃左右,在该条件下,如不采用“温度梯度烧结”方法来制备整体致密的TiC/Ni_3Al系梯度材料将十分困难,这是因为在富金属侧,由于Ni_3Al的粘结作用,使得TiC/Ni_3Al复合材料能够致密;但是在少金属侧,如0%,5%,10%,20%(体积分数,下同)Ni_3Al层,由于金属含量少,Ni_3Al相不能完全地粘接TiC使之致密,则得不到整体致密的TiC/Ni_3Al系FGM.因此,TiC和少金属TiC在低温下的热压致密化是一项非常有意义     

纳米羟基磷灰石/胶原/磷酸丝氨酸仿生复合骨组织工程支架材料的制备及表征

制备仿生型骨组织工程支架复合材料, 观察并分析支架的结构特征、矿化性能、细胞相容性及体内骨修复性能. 将纳米羟基磷灰石粉体、胶原蛋白溶液和磷酸丝氨酸按比例混合, 搅拌均匀, 再进行交联处理, 最后冷冻干燥得到支架材料. 所制备的复合支架材料具有三维多孔的微观结构; 在模拟体液中的矿化产物其形态受复合材料中有机成分的调控; 该复合支架具有良好的生物相容性, MC3T3-E1细胞在支架上黏附、拓展并可与材料相互作用; 植入骨缺损12周后能够促进新骨形成. 纳米羟基磷灰石-胶原蛋白-磷酸丝氨酸(nHA-COL-PS)支架材料是性能良好的组织工程支架材料, 可用于骨缺损的修复.     

编者按

<正>陶瓷作为人类文明史上最早发明和使用的人工材料之一,发祥于中国,是中华民族智慧的象征.历经千年发展和演化,其内涵已远远超越了传统陶瓷的范畴,形成了包括传统陶瓷以及先进结构陶瓷、功能陶瓷和新型陶瓷基复合材料等非传统陶瓷在内的一个庞大的家族体系.其中结构陶瓷作为先进陶瓷材料的重要组成部分,因其所具有的高强、高硬、耐高温和抗腐蚀等优异特性,在高温、腐蚀等严酷环境表现出巨大的应用潜力,令人期待.     

再结晶碳化硅及其复合材料的研究进展与应用

再结晶碳化硅(RSiC)是不含烧结助剂、经蒸发-凝聚传质机制得到的高纯碳化硅陶瓷,一直以来是高温领域的一种重要结构材料,然而伴随其烧结机制产生的低致密度、多孔性等问题制约了其更广泛的应用.本文围绕RSiC多孔且孔隙相互连通的结构特征,结合碳化硅的耐高温、耐腐蚀、抗热震等诸多优异性能,阐述了前驱体浸渍-裂解法与再结晶法相结合增密RSiC的原理和技术,介绍了RSiC的多孔化应用开发和评价,综述了熔渗法制备RSiC结构-功能一体化复合材料的进展,并对RSiC及其复合材料在新能源、环保、电子等领域的新应用进行了简要介绍.     

Pb(Zr, Sn, Ti)O3反铁电-铁电陶瓷热释电谱

改性Pb(Zr,Sn,Ti)O₃ 反铁电-铁电陶瓷存在着多种晶体结构, 随着温度变化会发生相变而影响材料的性能. 研究了铌改性Pb(Zr,Sn,Ti)O₃反铁电-铁电陶瓷温度诱导相变中的热释电效应. 结果表明, 温度诱导相变引起电荷突变形成尖锐的热释电峰, 热释电峰的形状和位置取决于相变的类型和温度. 组分和初相态变化导致的不同相态变化过程形成峰形和峰位不同的热释电谱. 热释电谱不仅可以显示极化强度随温度的变化情况而且可以测定出弱的次级转变, 如在介电温谱中难以观测的反铁电AFE_A-AFE_B 铁电FE_L-FE_H 之间的相态转变在热释电谱中都有明显的热释电峰. 作为一种弱电测量方法, 热释电谱可以完整地反映Pb(Zr,Sn,Ti)O₃ 反铁电-铁电材料相态随温度变化的情况.     

微胞陶瓷/金属块体复合材料

用放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)方法, 烧结表面包覆纳米Al₂O₃的球形Al₉₀Mn₉Ce₁合金复合粉末, 制备了一种高致密微胞陶瓷/金属块体复合材料, 烧结温度只有520℃. 该材料由蜂窝状封闭Al₂O₃陶瓷胞壁和Al₉₀Mn₉Ce₁合金胞体组成, 胞体尺寸约为20~40 μmm, 胞壁壁厚1~2 μm. 材料抗压强度达到514 MPa, 压延塑性约0.65%. 这种特殊结构预示可能具有极好的耐腐蚀性能及耐热性能. 这种微胞结构Al₉₀Mn₉Ce₁/Al₂O₃复合材料的成功制备, 为新型陶瓷/金属复合材料的设计提供了新思路.