基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。     

基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列研究

该文设计了一种基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列,并采用有限元法分析了阵元的导纳特性。应用有限元法对比分析了基于1-1-3型和1-3型压电复合材料直线型换能器阵列的电导,以及阵元位置对电导的影响。为进一步验证仿真结果,该文设计了一种“一体成型”的换能器阵列制备工艺,并制备了实验样品。实验结果表明,1-1-3型直线型换能器阵列比1-3型直线型换能器接收灵敏度一致性稳定提高4 dB,发射电压响应的一致性稳定在0.6 dB内,有效地提高了高频换能器阵的阵元一致性。     

A位取代对PZN-PNN-PZT压电陶瓷性能的影响

以固态氧化物为原料,采用固态合成工艺制备Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(ZrTi)O3(PZN-PNN-PZT)压电陶瓷,并研究了锆钛比(r(Zr)/r(Ti))、Ba2+的A位取代及Ba2+、La3+的A位复合取代对压电陶瓷电性能的影响。结果表明,PZN-PNN-PZT压电陶瓷在r(Zr)/r(Ti)=1.03下,进行Ba2+,La3+的A位复合取代后,即式子在Pb0.92Ba0.04La0.04(Ni1/3Nb2/3)y(Zn1/3Nb2/3)z Zrm Tin O3时压电性能最佳,其介电常数εT33/ε0=5 657,压电常数d33=709pC/N,机电耦合系数kp=0.69,品质因数Qm=45,居里温度TC=180.9℃。     

1-3型压电复合材料的机电响应特性和温度稳定性

1-3型压电复合材料具备优异的机电耦合性能,这对于高性能压电换能器的开发具有重要意义。该文采用低成本的切割填充法制备了不同结构参数的1-3型PZT/环氧树脂复合材料,并结合有限元模拟法对其压电性能、机电响应特性和温度稳定性进行了系统地研究。1-3阵列结构对平面方向应变产生了很大的衰减,使能量更集中于厚度共振模式。复合材料的高径比是影响机电耦合性能的主要因素,更精细的阵列结构有利于高性能压电换能器的制造。在-20～60℃内,1-3型压电复合材料的厚度机电耦合系数约为0.61,变化率小于1%,表现出良好的温度稳定性。     

铌酸钾钠基1-3型压电复合物的制备及其性能研究

采用传统固相法制备了在1 130℃下烧结而成的(K_0.45Na_0.55)_0.98Li_0.02(Nb_0.77Ta_0.18Sb_0.05)O₃(KNLNTS)无铅压电陶瓷。陶瓷致密度和电学性能较好,致密度达到98%,室温压电常数为308.7 pC/N,厚度振动机电耦合系数可达0.5,1 kHz时介电损耗为0.043。以上述KNLNTS基粉体为原料,利用切割填充法制备1-3型压电复合材料并研究了厚度对复合材料的性能影响。结果表明,复合材料的压电常数、厚度振动机电耦合系数均随厚度的增加而增加,介电损耗随厚度的增加而减少,而相对介电常数基本保持不变。     

Bi2O3掺杂Ba0.85Ca0.15(Zr0.1Ti0.88Mn0.02)O3压电陶瓷及微型气泵的制备与性能研究

采用固相法制备了Bi₂O₃掺杂的Ba_0.85Ca_0.15(Zr_0.1Ti_0.88Mn_0.02)O₃压电陶瓷，研究了体系的微观结构，以及Bi₂O₃掺杂量对体系压电性能的影响；将体系最优性能的样品装配成微型气泵，并与日本村田的MZB1001T02微型泵进行了性能对比。研究表明，Bi₂O₃掺杂Ba_0.85Ca_0.15(Zr_0.1Ti_0.88Mn_0.02)O₃的无铅压电陶瓷呈单一的钙钛矿结构，少量的Bi₂O₃掺杂使体系保持了三方-四方相共存的特性。当掺杂量(质量分数)为0.05%时，样品晶粒分布均匀，介电和压电性能最优，即ε^T_33...     

新型热释电材料及其在高性能红外探测器中的应用

采用改进的Bridgman法生长出了大尺寸高质量的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PMNT)单晶,并发现了PMNT单晶具有非常大的热释电响应。为探索高性能的热释电材料,提高现有红外探测器的性能,对PMN-PT的热释电性能、及其在红外探测器中的应用进行了系统的研究。研究表明：PMNT单晶具有优异的热释电性能,其综合性能优于传统的热释电材料。用PMNT单晶制备出了的红外探测器,电压响应率和比探测率分别为Rv = 211 V/W,D* = 1.06×108 cm·Hz^1/2·W^-1,器件性能能够基本满足使用要求,同时也表明PMNT单晶有望在高性能的红外探测及成像器件中得到实际应用。     

Bi_2O_3掺杂0.35PNN-0.60PZT-0.05V_2O_5陶瓷的低温烧结特性研究

采用传统固相反应法制备了Bi_2O_3掺杂的0.35PNN-0.60PZT-0.05V_2O_5压电陶瓷。通过X线衍射、扫描电镜等测试手段对其烧结特性、晶体结构、微观形貌和介电性能进行研究。结果表明,Bi_2O_3掺杂能降低0.35PNN-0.60PZT-0.05V_2O_5陶瓷的烧结温度,影响相结构,改变微观形貌,并优化电学性能。当Bi_2O_3的质量分数为1.0%时,0.35PNN-(0.60-w%)PZT+0.05V_2O_5+w%Bi_2O_3实现900℃烧结,表现出优异的电学性能:压电常数d33=580pC/N,机电耦合系数kp=0.65,介电常数εr=6 100,介电损耗tanδ=0.006 1,品质因数Qm=65。     

(Zn_(1/3)Nb_(2/3))~(4+)取代的BNT系无铅压电陶瓷性能

采用两步合成工艺,制备了新型Bi1/2Na1/2Ti1–x(Zn1/3Nb2/3)xO3(简称BNTZN—100x)系无铅压电陶瓷。研究了B位复合离子(Zn1/3Nb2/3)4+取代量对BNT陶瓷介电及压电性能的影响。结果表明:当0.005≤x≤0.020时,该体系陶瓷具有三方、四方共存的准同型相界(MPB)结构。在MPB附近,具有较佳的压电性能:当x为0.020时,d33为97pC/N,kt为0.47。εr-t曲线显示该体系材料具有明显的弥散相变特征。具有高kt值,低kp值;kt/kp较大,具有较大的各向异性,是一种适合高频下使用的优良超声换能材料。     

Si/Mg/Fe掺杂β-Ga2O3单晶拉曼光谱表征及分析

β-Ga₂O₃单晶材料由于其优异的性能得到了广泛关注,但是对于其掺杂、能级、电学性能等方面的研究仍然比较欠缺。采用导模法分别制备了非故意掺杂β-Ga₂O₃单晶和Si/Mg/Fe掺杂的β-Ga₂O₃单晶,对样品进行了拉曼光谱测试和电学性能测试,研究不同掺杂元素对拉曼光谱的影响。对β-Ga₂O₃单晶的声子谱进行计算,并通过拉曼光谱测试进行了验证,对掺杂元素的取代位置进行了分析。结果表明,掺杂元素会对拉曼峰强度产生显著影响,Si、Mg、Fe均倾向于取代Ga_ⅡO₆八面体中心的Ga_Ⅱ原子。根据电学性能测试结果,Si掺杂会使β-Ga₂O₃单晶呈n型导电,Mg或Fe掺杂会使β-Ga₂O₃单晶呈半绝缘态。     

基于高压电性PMNT陶瓷的无损检测高频超声换能器

Sm掺杂Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃0.30PbTiO₃(PMN0.30PT)陶瓷具有与PMN0.30PT单晶相当的超高压电响应(d33约为1 300 pC/N),但比压电单晶具有更高的一致性和更低的成本。该文针对高频超声无损检测的工业化应用,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷设计并制作了中心频率大于30.5 MHz的高频超声换能器,利用超声脉冲回波法进行了换能器的性能表征,并测试了其声场。针对小型塑料零部件的微结构,利用所制备的高频超声换能器进行了超声成像。结果表明,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷的高频超声换能器具有优异的成像性能,适合于高频超声无损检测成像的工业化制备。     

磁控溅射氧氩体积流量比对β-Ga2O3薄膜的影响

利用射频磁控溅射在c面单晶蓝宝石(Al₂O₃)衬底上制备Ga₂O₃薄膜,研究了溅射过程中通入氧气与氩气的体积流量比对经过异位高温后退火处理得到的β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。利用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对薄膜进行表征,结果表明β-Ga₂O₃薄膜沿着■晶面择优生长,具备较好的单一取向性。在氧氩体积流量比约为1∶20时,薄膜的结晶性能相对较好、表面晶粒分布较均匀、均方根粗糙度较小、晶粒尺寸较大。此外,吸收光谱表征结果表明,不同氧氩体积流量比下制备得到的β-Ga₂O₃薄膜的带隙变化范围为4.53～4.64 eV,在较低氧氩体积流量比下制备的β-Ga₂O₃薄膜表现出较优的光学性质,在波长200～300 nm内具有较好的吸收特性,表现出良好的深紫外光学特性。     

高k材料镧前驱体La(tmhd)3和La(tmod)3的热力学及其ALD应用

通过同步热分析研究两种不同的前驱体(La(tmhd)₃和La(tmod)₃)在升华过程中的热稳定性。结果表明,具有不对称分子结构的La(tmod)₃的挥发性大于La(tmhd)₃,其可以作为镧前驱体应用于原子层沉积(ALD)技术。将La(tmod)₃和O₃作为前驱体,通过ALD技术在SiO₂基片上实现了LaO_x薄膜的制备。实验结果表明,其最佳的ALD工艺参数包括：La(tmod)₃和O₃的脉冲时间分别为6 s和2 s, O₃的清洗时间为5 s,沉积温度为250℃。在制备的薄膜中发现了理想的自限性沉积行为。通过X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)证实了生长的薄膜具有良好的纯度和表面形貌,其在250℃的沉积温度下具有稳定的生长速率(约0.16?/cycle, 1?=0.1 nm),薄膜的主要成分为La_...     

方形1-3-2型压电复合材料薄片的谐振性能研究

通过理论和实验研究了水声换能器用方形1-3-2型压电复合材料薄片的结构参数(陶瓷体积分数和外形尺寸)对其谐振性能的影响。利用压电方程和均匀场理论得到了1-3-2型压电复合材料的各项等效性能参数,分析了复合材料结构参数对谐振性能的影响。制备了陶瓷体积分数和外形尺寸不同的两组1-3-2型压电复合材料样品,测量得到复合材料谐振频率随陶瓷体积分数和外形尺寸的变化数据。结果表明,当1-3-2型复合材料中陶瓷基底的体积百分比小于30%,1-3复合材料部分中陶瓷柱体积分数在30%~80%,且复合材料总体厚宽比小于阈值(这个阈值随陶瓷体积分数变化)时,其厚度谐振性能较好。另外,将实验结果与理论计算进行了比较,两者符合较好,验证了理论公式的正确性。     

基于PZFlex的1-3压电复合材料横向振动模仿真

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗,适用于制作水声和医疗超声换能器,但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能,限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料,复合材料的厚度为0.32 mm,陶瓷柱宽度为0.08 mm,长度为0.10~0.25 mm,刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算,仿真结果表明,复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz,随着陶瓷柱长度的增大,横向谐振频率逐渐向低频处移动,当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时,横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器,利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。     

新型无铅压电陶瓷NBT-NBSN的研究

采用传统陶瓷制备方法,制备出一种钙钛矿结构无铅新压电陶瓷材料(1-x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-x(Na1/2Bi1/2)(Sb1/2Nb1/2)O3(x=0~1.4%,摩尔分数)。研究了(Na1/2Bi1/2)TiO3(NBT)陶瓷B位复合离子(Sb1/2Nb1/2)4 取代对介电和压电性能的影响。X-射线衍射分析表明,所研究的组成均能形成纯钙钛矿(ABO3)型固溶体。陶瓷材料的介电常数-温度曲线显示陶瓷在升温过程中存在两个介电常数温度峰,不同频率下陶瓷材料的介电常数-温度曲线显示该体系材料具有明显的弛豫铁电体特征。检测了不同组成陶瓷的压电性能,发现材料的压电常数d33、厚度机电耦合系数kt和介电常数rε随着x值的增加先增加后降低,在x=0.8%时,陶瓷的d33=97 pC/N,kt=0.50,为所研究组成中的最大值,介电损耗tanδ则随x值的增加而增加。     

NBT-Ba(NbO3)2无铅压电陶瓷的压电介电性能

采用传统陶瓷制备方法,制备了一种新的(Na1/2Bi1/2)TiO3基无铅压电陶瓷(1-x)(Na1/2Bi1/2)TiO3-xBa(NbO3)2(摩尔分数x=0~1.4%)。X-射线衍射分析表明,所研究的组成均能够形成纯钙钛矿(ABO3)型固溶体。SEM观察结果表明,掺入Ba(NbO3)2促进了长条状晶粒的析出。不同频率下陶瓷材料的介电常数-温度曲线显示该体系材料具有明显的弛豫铁电体特征,且随着Ba(NbO3)2的增加,其弛豫性特征愈明显。检测了不同组成陶瓷的压电性能,发现材料的压电常数d33和平面机电耦合系数kp随着x值的增加先增加后降低,在x=0.6%时,陶瓷的d33=94 pC/N,kp=0.171,为所研究组成中的最大值,介电损耗tanδ则随x值的增加而增加。     

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

磁控溅射工作压强对β-Ga2O3薄膜特性的影响

作为新兴的第三代半导体材料,β-Ga₂O₃高质量薄膜是制备高效Ga₂O₃基器件的基础,β-Ga₂O₃薄膜的制备、表征及光电特性的研究具有深刻的意义。通过分析研究磁控溅射工作压强变化对薄膜性能和形貌的影响,为制备更高质量的薄膜提供了一种新的方法。基于射频磁控溅射方法,在单晶c面蓝宝石(Al₂O₃)衬底上沉积生长Ga₂O₃薄膜,并进行900℃、90min的氮气退火处理,以得到β-Ga₂O₃薄膜。沉积过程不改变其他实验参数,仅改变工作压强,研究工作压强对β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征结果显示,β-Ga₂O₃薄膜具有不同取向的衍射峰,沿着■晶向择优生长,薄膜呈多晶状态。适当增大工作压强可使β-Ga<...     

Ba（Zn1/3Nb2/3）O3-BaWO4复相陶瓷的合成与性能研究

以Ba（Zn1/3Nb2/3）O3和BaWO4复合的方式,利用固相合成法,制备了（1-x）Ba（Zn1/3Nb2/3）O3-xBaWO4复合陶瓷（x=0.1-0.4）,XRD表明上述两相能在烧结样品中共存。当x=0.3-0.4,在1 225℃烧结时,可以获得近零温度系数的性能优异的微波介质陶瓷,其介电性能为：εr=27.4-24.0,Q×f=53 800-65 300 GHz,τf=5.0--2.1 ppm/℃。