PMNT及其在水声换能器中的应用

孟　洪俞宏沛罗豪甦刘继伍李建成　

（１第七一五研究所　杭州　３１００１２；２中国科学院上海硅酸盐研究所　上海２０１８００）　

摘要 本文阐述了弛豫铁电单晶PMN-PT、PZN-PT材料的性能特征及其在国内外水声领域应用的现状和发展趋势。并利用上海硅酸盐研究所提供的PMN-PT元件设计制作了单晶纵振换能器、厚度模换能器及加速度计。通过对PMNT换能器性能测试数据的分析，得到了一些较有意义的结论。

关键词　弛豫铁电单晶 PMN-PT PZN-PT 纵振换能器 厚度模换能器 偏电场

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１　引言　　

换能器的发展是与功能材料的研究密切相关，20世纪五十年代水声换能器所用的有功材料大多是单晶的，其后被多晶钛酸钡进而为锆钛酸铅PZT所取代。直到九十年代出现了弛豫铁电单晶PMN-PT和PZN-PT才动摇了多晶压电陶瓷的统治地位。

弛豫铁电单晶材料族铌镁酸铅/钛酸铅（PMN-PT）和铌锌酸铅/钛酸铅（PZN-PT）是一种新型复合钙钛矿型晶体材料。它具有较高的33振模耦合系数和大的饱和应变，因此有望展宽换能器及基阵的工作频带，且功率容量也很大。目前已引起各国海军声纳界极大的兴趣。美国国防尖端研究项目署投入数千万美元重点开发新型弛豫铁电单晶及其在水声换能器中的应用。

２　弛豫铁电单晶材料性能　

大尺寸高质量的弛豫铁电单晶PMNT和PZNT的生长成功，是铁电领域里的一项重大突破。弛豫铁电单晶材料以其优异的压电性能引起了国际上的极大关注，其压电系数d33、机电耦合系数k33分别高达2000pC/N和0.9以上，应变量达到1.7%，机电转换效率和应变量大大超过了现有PZT压电陶瓷材料，特别适合于高效率、高灵敏度收发换能器的研制。为此，1997年3月《Science》杂志发表专文对这类新型弛豫铁电单晶体材料作了评述，认为这是半个世纪以来铁电材料领域的重大突破，美国海军认为这将给海军水中装备性能带来性的变化。

表１小信号下ＰＭＮＴ单晶和ＰＺＴ陶瓷的性能比较　参数　材料　PZT-5H Ceramic Navy Type V　PMNT single crystals　ρ (kg/m)　7500　8050　3ε33/ε0　3400　11100　Y33E (GPa)　48.1　10.2　Y33D (GPa)　111　75.4　g33 (×10Vm/N)　20　29　-3d33 (pm/N)　593　2880　k33 (pm/N)　0.75　0.93　FOM(g∗d) (×10m/N) 1.17　8.5　-112FOM(g∗d/tanδ) (× 1010m2/N) 4.67　121　表２大信号下ＰＭＮＴ单晶和ＰＺＴ陶瓷的性能比较　参数　材料　PZT-8 Ceramic Navy Type Ⅲ　PMNT single crystals　ρ (kg/m)　7600　8000　3Y33E (GPa)　74　15.3　ε33/ε0　1000　7300　d33 (pm/N)　225　1900　k33 (pm/N)　0.75　0.93　tanδ　０．００４　０．０２５　Edc ０　０．７　Erms 0.39　0.39　k332ε33TErms2 0.58　8.7　Relative 0.0　11.8　　从表1、表2可见，弛豫铁电单晶材料具有高的d33、g33、k33、åT33和较低的电损耗，可22

用于高效率发射和高灵敏度接收水声换能器。将为声呐作用距离增大、检测阈值降低创造了

２００４年第　１　期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　声学与电子工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　总第　７３　期　基础。

在国内，中国科学院上海硅酸盐研究所和西安交通大学等单位近几年也开展了这种晶体材料的基础研究和晶体生长工艺方法探索，经过几年的积累，在生长技术、工艺参数、性能表征等方面已经具有良好的基础，并且已能生长出Ö50×80mm的PMNT单晶样品，其性能指标和晶体尺寸一度处于国际领先水平（见图1）。这就为我们开展弛豫铁电单晶换能器研究准备了前提条件。

目前国内PMNT单晶技术参数如下。晶棒尺寸：Ö50×70mm，晶片尺寸 30×30mm2；耦合系数：k33~94%, kt~62% ；介电常数ε：4200~5400，tanδ<0.8% ；压电系数d33：1500~2500pC/N ；单晶的均匀性：同一晶片⊿ε <± 7%，⊿kt <± 1% ；具有特别高的场致应变 Smax～1.8% ,非常低的应变滞后 ∆S<2% ；在相同的驱动电场下，其应变约为PZT陶瓷的5～6倍。

图1 上海硅酸盐研究所生长的PMNT单晶样品及其场致应变曲线 表３上硅所生长的ＰＭＮＴ单晶与ＰＺＴ－５Ｈ压电陶瓷材料的性能对比表　　３　ＰＭＮＴ单晶换能器　

近年来世界各海军强国开展了一系列弛豫铁电单晶材料的制备及发射器、接收器和其它传感器设计等方面的研究工作。美国海军水下作战中心（NUWC）研究了PMNT、PZNT弛豫铁电单晶材料在电场和预应力作用下的特性，认为其力学性能基本满足换能器预应力设计要求。该中心以用于未来轻型鱼雷和水下无人运载体（UUV）自导声基阵的阵元为研究目

标，于2001年设计出了7×7×10mm的弛豫铁电单晶堆试验模型和相应的Tonpilz换能器阵元样品（见图2），并进行了相关实验。

美国宾州大学还开展了PMN-PT小型化低噪声水听器研究，在PMNT Tonpilz 换能器研究中，他们利用PMN-PT单晶材料的效率高、用量少等优点来减小Tonpilz 换能器的长度，与常规PZT Tonpilz换能器相比，在相同的声源级情况下长度减小了33%，且频带也有所展宽。

图2 美国海军水下作战中心研制的PMNT Tonpilz 换能器

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２００４年第　１　期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　声学与电子工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　总第　７３　期　图3 PMNT纵向振动换能器、单片厚度模换能器、加速度计

在国内，新型弛豫铁电单晶材料研究方面已经具有良好的基础，但弛豫铁电单晶换能器研究刚刚起步。从2001年开始，我所与中科院上海硅酸盐研究所无机功能材料开放实验室合作，在国内最早开展了铁电单晶PMNT在水声换能器方面的应用研究（见图3）。到目前为止，我们已在PMNT纵向振动换能器、单片厚度模换能器和加速度计方面作了初步尝试，并获得了一些有意义的结果（除灵敏元件的材料外，其它结构件的材料、尺寸均相同）。

(1)PMNT纵振换能器的谐振频率约低15％左右，而厚度模换能器却相差不多；

(2)PMNT纵振换能器在谐振点处的电导值比P4高2～5倍，即PMNT材料的电损耗小；

(3)PMNT单晶换能器的接收灵敏度级比PZT4约高2～4dB，接收带宽提高了3～4kHz；

(4)PMNT单晶换能器电压发射响应比PZT4高4～6dB,发射带宽提高了2～3kHz；

(5)PMNT换能器相对效率也比PZT4陶瓷材料高。

在研究中我们还发现PMNT单晶片与PZT陶瓷在振模上有区别（见图4），从导纳频响曲线上可看出，在低频段（300kHz以下）PMNT单晶材料呈现多峰，而在高频段厚度谐振峰单一，这与P4材料正好相反，利用单晶材料的这一特性我们还尝试过将PMNT材料用于鱼雷尾流制导换能器的研制，经过试验发现PMNT单晶材料在不加预应力条件下单片制作的高频厚度模换能器较P4材料制作的鱼雷尾流制导接收振元有更高的灵敏度，且工艺过程大大简化。但要完全达到实用还需要作进一步的工作，至少要通过一系列例行实验。

图4 上海硅酸盐研究所生长的PMNT单晶片扫频图

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２００４年第　１　期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　声学与电子工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　总第　７３　期　４施加预应力和偏电场对弛豫铁电单晶换能器性能的影响　

由于弛豫铁电单晶材料的杨氏模量较低，给换能器的应力杆设计增加了难度，同时压电单晶是“软性”材料，其矫顽场也很低，产生退极化的交变电场要比PZT陶瓷低得多，因此应用于大功率下单晶材料必须预先施加一个直流偏电场，使其在饱和之前能激励在较高的场强下并获得高的功率密度。因此掌握弛豫铁电单晶换能器性能与施加预应力和偏置电场强度的关系是弛豫铁电单晶换能器研究的技术关键。

４．１单向应力对介电常数的影响　用上硅所提供的PMNT单晶元件做单向应力试验得到以下初步结论：

(a)随着压力的增大，元件的介电损耗基本保持不变；

(b)元件的介电常数随着压力的增大总体呈下降趋势，而且在开始阶段下降很快，压力继续增大则趋缓，在0～1.4×10MPa范围内，介电常数下降约10%～25%；

1000V偏电压下功率谱密度-27.85dB10V偏电压下功率谱密度-30.82dB

(c)介电常数受加压顺序（从大到小或从小到大）影响很小（见图5）。

år

Stress(MPa)

图5单向应力对介电常数影响

４．２偏电场对弛豫铁电单晶换能器功率密度的影响　我们将上硅所提供的PMNT带孔圆片，研制成Tonpilz 换能器，通过直接在PMNT纵振换能器上施加不同的直流偏电场（见图6），用激光测振仪测试换能器辐射面的振动模态或辐射面上单点的振幅，用动态分析仪来拾取和分析纵振换能器辐射面的振动随偏电场强度的变化。

500V偏电压下功率谱密度-28.65dB

4000V偏电压下功率谱密度-28.61dB

图6偏电场对换能器功率密度的影响

由PMNT单晶换能器的直流偏电场试验

表明：通过适当的直流偏电场施加，不但可以提高矫顽场、加宽应变的线性区、增大PMNT换能器的应变量，并且还对PMNT材料的压电、介电性能有所提高。

５结束语　

为了最大程度地提高单晶换能器的性能，充分发挥弛豫铁电单晶材料的最大潜能，尽快将该材料在水声领域推广，必须针对单晶材料的特点

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２００４年第　１　期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　声学与电子工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　总第　７３　期　重新设计单晶换能器的结构和形式。仅仅简单地用单晶材料替换传统压电陶瓷，并不能象我们期望的那样大幅度提高换能器性能。

参考文献

[1]James M

Powers, Mark B

Moffett,

Fred

Crystal Technology On Future Submarine Sonar Arrays. UDT, 2001

[3] 许桂生, 罗豪甦, 王评初等. 新型弛豫型铁电单晶PMNT的铁电与压电性能. 中国科学（E辑）, 1999, 29(5)

[4]Ping-chu Wang,Hao-su Luo, Xiao-ming Pan,et al. Yin Dielectric and Piezoelectric Properties of PMN-PT Single Crystal Grown by Bridgman Method. IEEE , 2001

NussbaumNaval. Recent Advances In Single Crystal Naval Transducer Development. UDT, 2001

[2] Howard H Schloemer, Russell A. Impact Of Single 　　　　

（上接第１３页）　

综合上述分析：本系统测定自差的精度 1°～2°；本系统显示航向的精度约 1°～2°；本系统测定各航向剩余自差的精度约在2°左右。由于船舶导航定位系统的日益完善，特别是全球定位系统GPS的迅速普及，使船舶的航行安全得到进一步保证。通常船舶均安装有陀螺罗经，而磁罗经仅处于备用状态，我国海事局也规定磁罗经自差应保证在3°以下。鉴于上述分析，本系统的精度是可以满足船舶航行安全要求的，在当今航运市场竞争日益激烈的形势下，保证船舶航行安全、提高经济效益是航运企业追求的根本目标。因此本论文所提出的方法是有非常好的应用前景的。

模型，并在此基础上重点讨论了磁罗经自差的测定及其消除方法。与传统的磁罗经测、消自差相比较，本文提出方法的最大的优势在于：可将自差的测量和消除工作放在平时的航行中进行，从而大大简便消差工作程序，简化自差消除工作量，进而实现自差的自动消除；并且大大地提高了磁罗经的精度。

参考文献

[1]王正华. 磁通门测磁传感器的特性分析 [J]. 上海交通大学学报

[2]史德. 磁罗经自差半自动校测装置 [J].船舶工程 [3]杨在金. 航海仪器 [M].大连 :大连海事大学出版社 [4]关政军. 船靠码头校正磁罗经自差 [J].大连海事大学学报

[5]淡振藩等.导航系统信息转换.北京:国防工业出版社 [6]任茂东. 船用陀螺罗经. 大连:大连海运学院出版社

６　结束语　

本文给出了磁罗经自差智能测定系统的

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