超声波换能器材料的设计与研究
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见阻抗分析仪测量，或用铁电性能测试仪进行测量。 激光多普勒于涉仪用于对换能器的谐振特性以及振 动速度和位移分知进行测量和分析。
四、当前的研究热点与方向 从 １９５４ 年发现 ＰＺＴ 铁电陶瓷的优异压电性能 以来，它成了直到几兆赫这个频段里的主要的换能 器材料。包括声纳换能器和各种超声应用的换能器 ［９］。Ｊａｆｆｅ等［５］于１９７１首次对这种材料作了较详细论 述。事实上压电陶瓷材料的应用十分广泛，在不同的 使用场合，对它的性能要求是不同的。现在发展起来 的各种各样的压电陶瓷配方，都是为了适应不同的 使用要求而设计的。例如用作水声换能器材料，属接 收型的（如水听器接收振子）要求压电应变常数 ｇ３３ 或 ｇ３１ 要大，机电耦合系数 ＫＰ 要高等；属发射型的 （如声纳发射振子），则首先要求强电场下的介质损 耗 ｔｇ δ小，机抛品质因素 Ｑｍ 高，压电性能不易衰 退；电声材料的共同要求是耦合系数大，介电常数 高。有些性能要求是相互矛盾的，例如 Ｑｍ值高的材 料，Ｋｐ 值往往就低；介电常数大的材料，ｔｇ δ往往 也大：Ｋｐ 值高的材料，稳定性可能不太好等等。但 是，通过不断的研究和改进，能够克服这些矛盾而兼 有多种优点的配方愈来愈多地出现了。 掺杂改性从 ５０年代末六十代初开始研究，到现
在它仍然是国际上的研究热点［１０－１４］。其中稀土元素 铈、钕改性对超声波换能器尤具吸引力。文［１０］报道 Ｎｄ３＋ 的添加引起了材料断裂韧性（ＫＩＣ）的大幅提高， ＫＩＣ 最大达 ２．０５ＭＰａｍ１／２，这意味着材料不容易起裂 和疲劳。同时铁电参数也有较好的提高。Ｃｅ４＋ 添加到 ＰＺＴ 陶瓷中，能使陶瓷的电阻率ρ ｖ、介电系数∈ 、 机械品质因素 Ｑｍ 和矫顽场 Ｅｃ 提高，介质损耗 ｔｇ δ 减小［４］。由于ρｖ 的提高，陶瓷能在较高的温度下，以 高的电场极化，使潜在的压电性能得到充分发挥，从 而机电耦合系数 Ｋｐ 增大。另外 Ｃｅ４＋ 的加入使 ＰＺＴ 材料的电性能老化、温度老化和强电场老化等性能 得到改善。
《 精密制造与自动化》
超声波换能器材料的设计与研究
湘潭大学机械工程学院 （４１１１０５） 周里群 李玉平
摘 要 本 文 就 超 声 波 换 能 器 所 用 材 料 进 行 了 分 析 与 讨 论 ，介 绍 Ｐ Ｚ Ｔ的 结 构 、相 图 与 制 备 方 法 ，重 点 对 Ｐ Ｚ Ｔ的 掺 杂 改 性 进行了研究与总结，最后介绍了关于ＰＺＴ的当前的研究热点与研究方向。 关键词 ＰＺＴ 换能器 超声波
石英晶体的伸缩量太小，３０００Ｖ电压才产生０．０１ μ ｍ 以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大 ２０～３０ 倍，但效率和机械强度不如石英晶体。锆钛 酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗，探伤 和小功率超声波加工的换能器［２］。
一、锆钛酸铅的结构与相图 锆钛酸铅是 ＡＢＯ ３ 型钙钛矿结构的二元系固溶 体，其化学式为 Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）Ｏ３。晶胞中的 Ｂ 位置可 以是 Ｔｉ４ ＋，也可以是 Ｚｒ４ ＋。由于 Ｔｉ４ ＋的离子半径（ ０．６４ 埃）和 Ｚｉ４ ＋离子半径（０．７７ 埃）相近，且两种 离子的化学性能相似，所以 ＰｂＴｉＯ３ 与 ＰｂＺｒＯ３ 能以 任何比例形成连续固溶体。对于锆钛比例不同的固 溶体，由于其内部条件不同，所以结构和性能也不 同。从研究它的相图可知，在相变温度以下。在难同 型相界的右边（即富钛一边），固溶体为四方晶相； 相界的左边（即富锆那一边）为三角品相。这两种晶 相的晶体都具有压电效应。且四方晶相的自发极化 方向沿晶胞伸长的轴；三角品相的自发激化方向则 活品胞的空间对角线方向。 在相变温度以下，铬钛比 １００／０ 到 ９４／６ 的狭窄 范围内，固溶体属反铁电正交结构，无压电效应［３］。 在生产设计上，根据各种压电器件对材料性能
２００４ 年第１ 期（总第１５７期）
采用同时加入两种或两种以上等价离子的取代方法， 称为“复合取代”。复合取代往往可以兼顾两种取代 离子的优点，而部分地克服单一取代的缺点。例如， 同时加入 Ｓｒ２＋，Ｂａ２＋ 或 Ｓｒ２＋，Ｍｇ２＋ 或 Ｓｒ２＋，Ｂａ２＋，Ｍｇ２＋ 等。当比例调整适当时，可以得到 Ｋｐ 值高，频率温 度稳定性好的 ＰＺＴ 陶瓷材料。
n
∑ 即 Ｔ＝（ CiPi ＋Ｃｎ＋１） ｍｏｄ Ｍ。
i=1
如果 Ｔ＝０，则编码正确，否则，编码出错。 例如上例中编码，Ｔ＝（Ｓ＋Ｒ）ｍｏｄ Ｍ＝（１２５＋５） ｍｏｄ １０＝０。说明输入的编码正确。
六、小节 刀具编码系统采用柔性编码系统，克服了传统 编网系统在描述时出现的多义性，达到快捷、详尽准 确的完成信息描述。系统采用柔性编码不仅在刀具 信息传播中起到重要作用，同时为建立 ＣＩＭＳ 公用数 据库打下了基础。
（下转第３５页）
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２００４ 年第１ 期（总第１５７期）
１２＝１２５。则校验码 Ｃｎ＋１＝Ｒ＝１２５ ｍｏｄ １０＝５。 所以带校验码的编码为
ＤＸＣＲＳＬ５０１６３５２００１０２５。 用校验码检错的过程 如果编码为 Ｃ１、Ｃ２、…、Ｃｎ、Ｃｎ＋１，其中 Ｃｎ＋ｌ
为校验码，输入时对编码每一位乘以它原来的权值， 其中校验码的权值为 １，用所得和除以模得余数 Ｔ。
二、锆钛酸铝陶瓷材料的改性 改变 ＰＺＴ 中 Ｚｒ／Ｔｉ 的比值，可以调整陶瓷材料 的性能参数。但是仅用这种方法得到的材料，还不能 满足实际应用的要求。例如，在许多场合下同时要求 具有高的 Ｋｐ 和 Ｑｍ。仅用这种改变组分的办法是很 难达到的。 在生产和科研中，往往采用掺杂来改进 ＰＺＴ 陶 瓷材料的性能。按在固溶体化合物中添加金属离子 化合价与被置换离子化合价相比，分成等价离子置 换和不等价离子置换。不等价离子置换又分为高价 离子置换和低价离子置换［４］。 １、等价离子置换 这是指用与 Ｐｂ２＋、Ｔｉ４ ＋或 Ｚｒ４ ＋化合价相等、离 子半径相近的金属离子置换 ＰＺＴ 中正常晶格中少量 ｐｂ２＋，Ｔｉ４ ＋或 Ｚｒ４ ＋，形成取代式固溶体。其结构仍 然是钙钛矿型结构，但其物理性能、电性能发生变 化。 常用来取代 ｐｂ２＋ 的碱土金属高于有 Ｓｒ２＋，Ｃａ２＋， Ｂａ２＋ 和 Ｍｇ２＋ 等。这种部分置换 ｐｂ２＋ 后，ＰＺＴ 陶瓷材 料性能的变化规律是： ａ．居里温度 Ｔｃ 降低； ｂ．介电系数∈ 显著增大，压电系数ｄ１、机电耦 合系数 Ｋｐ、及陶瓷密度有所增加； Ｃ．导致 ｃ／ａ 比值降低，即各向异性减少； ｄ．改变准同型相界位置。 有时为了得到性能更优的 ＰＺＴ 陶瓷材料，还可
超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶 体换能器两类。
属于磁致伸缩的有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低。一般使用一、 二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。镍片 换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今很少使用［１］。
目前，广泛使用压电晶体换能器。这种换能器电 声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容 易老化。常用的材料有石英晶体、钛酸钡（ＢａＴｉＯ３） 和锆钛酸铅（ＰｂＴｉＺｒＯ３，简称 ＰＺＴ）。
ＰｂＯ＋ｘＺｒＯ２＋（１－ｘ）ＴｉＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒｘ， Ｔｉ１－ｘ）Ｏ３ （１） 根据要求的 ＰＺＴ 性能，按照 ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３ 的 相图［６］确定组分比例 ｘ，再用分析天平按 ＰｂＯ、ＺｒＯ２、 ＴｉＯ２ 的摩尔数称量。考虑到在高温烧结过程中 ＰｂＯ 的挥发，通常需加入 １０％的过量 ＰｂＯ［７］。 ｂ． 混合 压电陶瓷坯体中的各种组分应当非常均匀地加 以混合。如果混合均匀性不好来自百度文库则压电和介电性能一 般会受到损害。可用将按比例量好的 ＰｂＯ、ＺｒＯ２ 、 ＴｉＯ２ 的混合物研磨 １ 小时，使其混合均匀。 ｃ． 预烧 预烧的目的是除支混合物中的水分及其它可挥 发的杂质。预烧时间为３ 小时左右，预烧温度在６００ ℃为宜。预烧温度不能太高，因为当温度达到８００℃ 时，ＰｂＯ 将开始挥发。 ｄ． 研磨 研磨可以使组成的不均匀性和预烧产生的不均 匀性得到改善，一般要求颗粒磨到 ｌ～１０ μ ｍ 互间。 ｅ． 成形 可用专用压片机在一定压力下将混合物压成所 需试样。 ｆ． 烧结 把压制成形的试样放入坩埚中进行加温烧结， 加温速度以３～５℃／ｍｉｎ为宜， 烧结温度可取１２００℃ 左右，然后保温２小时。其反应过程分为三步。即［８］， 反应第一步， ＰｂＯ＋ＴｉＯ２ →ＰｂＴｉＯ３ （２） 反应第二步， ＰｂＴｉＯ３＋ＰｂＯ＋ＺｒＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３ （３） 反应第三步（ｘ＜ｘ’）， Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３＋ＰｂＴｉＯ３→Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ’，Ｔｉｘ’）Ｏ３ （４） ｇ． 坯件加工 许多压电陶瓷零件，需要正确的尺寸和光滑的 表面，以便与复杂的换能器的其他元件相装配。常用 的研磨机器采用 Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ 或金刚砂作为研磨介质， 水为主要的冷却剂。 ｈ． 上电极 导电极是每个压电陶瓷换能器不可缺少的部分， 最常见的形式是上一层银。上银时，可使用市面上的 银浆，用常温干燥或高温燃烧使它与陶瓷表面牢固 结合成为连续的导电层。 ｉ． 极化 即在高电场下，使铁电体电畴的取向尽量一致。
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的不同要求，可以选用不同的锆钛比成分来配方。例 如，要求高 Ｋｐ（机电耦合系数），高∈（介电常数） 的材料，就需要选择铬钛比个相界附近的配方；如果 要求高 Ｑｍ（机械品质因数），低 Ｋｐ 的材料，就往往 选取离开相界的铬钛比的配方。所以，ＰＺＴ 压电陶 瓷材料的性能可以通过改变锆钛比来进行调节。
（上接第１９页）
极化能左右压电陶瓷的特性，而且还能影响其老化 特性。对 ＰＺＴ 陶瓷一般在 ３０－４０ｋＶ／ｃｍ 的电场下进 行极化，极化时间为 ３０ 分钟到 １ 个小时，大多是在 油浴中进行。
ＰＺＴ 压电陶瓷的结构和形貌可通过 Ｘ 射线衍射 （Ｘ Ｒ Ｄ）及扫描电镜（Ｓ Ｅ Ｍ）进行观测，介电性能可
２、高价离子置换 它是指用比 Ｐｂ２＋、Ｔｉ４ ＋或 Ｚｒ４ ＋化合价高的金属 离子置换 ＰＺＴ陶瓷中部分Ｐｂ２＋ 或Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４＋）。例如， 用 Ｌａ３＋、Ｂｉ３＋、Ｓｂ３＋ 等离子置换 Ｐｂ２＋；用 Ｎｂ５＋， Ｔａ５＋， Ｗ６＋ 等离子置换 Ｔｉ４ ＋ （Ｚｒ４ ＋ ）。高价离子置换，使得 ＰＺＴ 陶瓷材料性能变“软”，故又称软件添加物改性。其 变化规律一般为： ａ． 介电系数∈ 增大； ｂ． 机械品质因素 Ｑｍ 降低； ｃ． 机电耦合系数 Ｋｐ 升高； ｄ． 电滞回线变成矩形，矫顽场 Ｅｃ 降低； ｅ． 老化性能改善； ｆ． 烧结温度降低。 ３、低价离子置换 它是指用比 Ｐｂ２＋ 或 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４＋）化合价低的金属 离子置换 ＰＺＴ 陶瓷中部分 Ｐｂ２＋ 或 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４ ＋）。如用 Ｋ ＋ 、Ｎ ａ ＋ 等离子置换部分 Ｐ ｂ ２ ＋ ；用 Ｍ ｇ ２ ＋ ，Ａ ｌ ３ ＋ ， Ｆｅ３＋，Ｓｃ３＋ 和 Ｉｎ３＋ 置换 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４ ＋）。这些离子在 ＰＺＴ 陶瓷中的作用是使材料性能变“硬”，故又称为硬性 添加物改性。其变化规律一般是： ａ． 介电系数∈ 降低； ｂ． 压电性能下降，如 Ｋｐ 下降； ｃ． 机械品质因数 Ｑｍ 提高； ｄ． 矫顽场 Ｅｃ 提高，极化和去极化困难； ｅ． 密度增大。 总之，对于 ＰＺＴ 陶瓷，采取改变 Ｚｒ／Ｔｉ 比值或 添加改性物等方法，可以调节和改进电性能。ＰＺＴ陶 瓷与 ＢａＴｉＯ３ 了陶瓷相比，压电性能优良，居单温度 高，电性能稳定性好。改变组分和添加物，容易得到 各种不同的压电陶瓷。它是目前广泛应用的一种压 电陶瓷材料。主要用于制作超声换能器、水声换能 器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器等。 三、ＰＺＴ 压电陶瓷的制备 ＰＺＴ 压电陶瓷的制备一般分为原料的称量、混 合、预烧、研磨、成形、烧结等步骤［５］。实验中可参 考下述过程， ａ． 称量 在如下的反应式中，
参考文献 ［１］ 薛 劲 松 、宋 宏 ．ＣＩＭＳ 的 总 体 设 计 ．北 京：机 械 工 业 出 版 社，１９９８ ［２］ 白 庆 华 、何 玉 林 ．ＣＩＭＳ 中 的 系 统 集 成 和 信 息 集 成 ．北 京： 电子工业出版社，１９９７ ［３］ Ｃｈａｒｉｓｔｏｐｈ Ｚｏ１１ｅｒ．Ｆｒｏｍ Ｐｒｅｓｅｔｔｉｎｇ ｔｏ ｔｏｏｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｌ９９８，５０（３）：３４－３８
四、当前的研究热点与方向 从 １９５４ 年发现 ＰＺＴ 铁电陶瓷的优异压电性能 以来，它成了直到几兆赫这个频段里的主要的换能 器材料。包括声纳换能器和各种超声应用的换能器 ［９］。Ｊａｆｆｅ等［５］于１９７１首次对这种材料作了较详细论 述。事实上压电陶瓷材料的应用十分广泛，在不同的 使用场合，对它的性能要求是不同的。现在发展起来 的各种各样的压电陶瓷配方，都是为了适应不同的 使用要求而设计的。例如用作水声换能器材料，属接 收型的（如水听器接收振子）要求压电应变常数 ｇ３３ 或 ｇ３１ 要大，机电耦合系数 ＫＰ 要高等；属发射型的 （如声纳发射振子），则首先要求强电场下的介质损 耗 ｔｇ δ小，机抛品质因素 Ｑｍ 高，压电性能不易衰 退；电声材料的共同要求是耦合系数大，介电常数 高。有些性能要求是相互矛盾的，例如 Ｑｍ值高的材 料，Ｋｐ 值往往就低；介电常数大的材料，ｔｇ δ往往 也大：Ｋｐ 值高的材料，稳定性可能不太好等等。但 是，通过不断的研究和改进，能够克服这些矛盾而兼 有多种优点的配方愈来愈多地出现了。 掺杂改性从 ５０年代末六十代初开始研究，到现
在它仍然是国际上的研究热点［１０－１４］。其中稀土元素 铈、钕改性对超声波换能器尤具吸引力。文［１０］报道 Ｎｄ３＋ 的添加引起了材料断裂韧性（ＫＩＣ）的大幅提高， ＫＩＣ 最大达 ２．０５ＭＰａｍ１／２，这意味着材料不容易起裂 和疲劳。同时铁电参数也有较好的提高。Ｃｅ４＋ 添加到 ＰＺＴ 陶瓷中，能使陶瓷的电阻率ρ ｖ、介电系数∈ 、 机械品质因素 Ｑｍ 和矫顽场 Ｅｃ 提高，介质损耗 ｔｇ δ 减小［４］。由于ρｖ 的提高，陶瓷能在较高的温度下，以 高的电场极化，使潜在的压电性能得到充分发挥，从 而机电耦合系数 Ｋｐ 增大。另外 Ｃｅ４＋ 的加入使 ＰＺＴ 材料的电性能老化、温度老化和强电场老化等性能 得到改善。
《 精密制造与自动化》
超声波换能器材料的设计与研究
湘潭大学机械工程学院 （４１１１０５） 周里群 李玉平
摘 要 本 文 就 超 声 波 换 能 器 所 用 材 料 进 行 了 分 析 与 讨 论 ，介 绍 Ｐ Ｚ Ｔ的 结 构 、相 图 与 制 备 方 法 ，重 点 对 Ｐ Ｚ Ｔ的 掺 杂 改 性 进行了研究与总结，最后介绍了关于ＰＺＴ的当前的研究热点与研究方向。 关键词 ＰＺＴ 换能器 超声波
石英晶体的伸缩量太小，３０００Ｖ电压才产生０．０１ μ ｍ 以下的变形。钛酸钡的压电效应比石英晶体大 ２０～３０ 倍，但效率和机械强度不如石英晶体。锆钛 酸铅具有二者的优点，一般可用作超声波清洗，探伤 和小功率超声波加工的换能器［２］。
一、锆钛酸铅的结构与相图 锆钛酸铅是 ＡＢＯ ３ 型钙钛矿结构的二元系固溶 体，其化学式为 Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１－ｘ）Ｏ３。晶胞中的 Ｂ 位置可 以是 Ｔｉ４ ＋，也可以是 Ｚｒ４ ＋。由于 Ｔｉ４ ＋的离子半径（ ０．６４ 埃）和 Ｚｉ４ ＋离子半径（０．７７ 埃）相近，且两种 离子的化学性能相似，所以 ＰｂＴｉＯ３ 与 ＰｂＺｒＯ３ 能以 任何比例形成连续固溶体。对于锆钛比例不同的固 溶体，由于其内部条件不同，所以结构和性能也不 同。从研究它的相图可知，在相变温度以下。在难同 型相界的右边（即富钛一边），固溶体为四方晶相； 相界的左边（即富锆那一边）为三角品相。这两种晶 相的晶体都具有压电效应。且四方晶相的自发极化 方向沿晶胞伸长的轴；三角品相的自发激化方向则 活品胞的空间对角线方向。 在相变温度以下，铬钛比 １００／０ 到 ９４／６ 的狭窄 范围内，固溶体属反铁电正交结构，无压电效应［３］。 在生产设计上，根据各种压电器件对材料性能
２００４ 年第１ 期（总第１５７期）
采用同时加入两种或两种以上等价离子的取代方法， 称为“复合取代”。复合取代往往可以兼顾两种取代 离子的优点，而部分地克服单一取代的缺点。例如， 同时加入 Ｓｒ２＋，Ｂａ２＋ 或 Ｓｒ２＋，Ｍｇ２＋ 或 Ｓｒ２＋，Ｂａ２＋，Ｍｇ２＋ 等。当比例调整适当时，可以得到 Ｋｐ 值高，频率温 度稳定性好的 ＰＺＴ 陶瓷材料。
n
∑ 即 Ｔ＝（ CiPi ＋Ｃｎ＋１） ｍｏｄ Ｍ。
i=1
如果 Ｔ＝０，则编码正确，否则，编码出错。 例如上例中编码，Ｔ＝（Ｓ＋Ｒ）ｍｏｄ Ｍ＝（１２５＋５） ｍｏｄ １０＝０。说明输入的编码正确。
六、小节 刀具编码系统采用柔性编码系统，克服了传统 编网系统在描述时出现的多义性，达到快捷、详尽准 确的完成信息描述。系统采用柔性编码不仅在刀具 信息传播中起到重要作用，同时为建立 ＣＩＭＳ 公用数 据库打下了基础。
（下转第３５页）
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１２＝１２５。则校验码 Ｃｎ＋１＝Ｒ＝１２５ ｍｏｄ １０＝５。 所以带校验码的编码为
ＤＸＣＲＳＬ５０１６３５２００１０２５。 用校验码检错的过程 如果编码为 Ｃ１、Ｃ２、…、Ｃｎ、Ｃｎ＋１，其中 Ｃｎ＋ｌ
为校验码，输入时对编码每一位乘以它原来的权值， 其中校验码的权值为 １，用所得和除以模得余数 Ｔ。
二、锆钛酸铝陶瓷材料的改性 改变 ＰＺＴ 中 Ｚｒ／Ｔｉ 的比值，可以调整陶瓷材料 的性能参数。但是仅用这种方法得到的材料，还不能 满足实际应用的要求。例如，在许多场合下同时要求 具有高的 Ｋｐ 和 Ｑｍ。仅用这种改变组分的办法是很 难达到的。 在生产和科研中，往往采用掺杂来改进 ＰＺＴ 陶 瓷材料的性能。按在固溶体化合物中添加金属离子 化合价与被置换离子化合价相比，分成等价离子置 换和不等价离子置换。不等价离子置换又分为高价 离子置换和低价离子置换［４］。 １、等价离子置换 这是指用与 Ｐｂ２＋、Ｔｉ４ ＋或 Ｚｒ４ ＋化合价相等、离 子半径相近的金属离子置换 ＰＺＴ 中正常晶格中少量 ｐｂ２＋，Ｔｉ４ ＋或 Ｚｒ４ ＋，形成取代式固溶体。其结构仍 然是钙钛矿型结构，但其物理性能、电性能发生变 化。 常用来取代 ｐｂ２＋ 的碱土金属高于有 Ｓｒ２＋，Ｃａ２＋， Ｂａ２＋ 和 Ｍｇ２＋ 等。这种部分置换 ｐｂ２＋ 后，ＰＺＴ 陶瓷材 料性能的变化规律是： ａ．居里温度 Ｔｃ 降低； ｂ．介电系数∈ 显著增大，压电系数ｄ１、机电耦 合系数 Ｋｐ、及陶瓷密度有所增加； Ｃ．导致 ｃ／ａ 比值降低，即各向异性减少； ｄ．改变准同型相界位置。 有时为了得到性能更优的 ＰＺＴ 陶瓷材料，还可
超声波换能器一般有磁致伸缩换能器和压电晶 体换能器两类。
属于磁致伸缩的有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低。一般使用一、 二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。镍片 换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以至今很少使用［１］。
目前，广泛使用压电晶体换能器。这种换能器电 声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容 易老化。常用的材料有石英晶体、钛酸钡（ＢａＴｉＯ３） 和锆钛酸铅（ＰｂＴｉＺｒＯ３，简称 ＰＺＴ）。
ＰｂＯ＋ｘＺｒＯ２＋（１－ｘ）ＴｉＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒｘ， Ｔｉ１－ｘ）Ｏ３ （１） 根据要求的 ＰＺＴ 性能，按照 ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３ 的 相图［６］确定组分比例 ｘ，再用分析天平按 ＰｂＯ、ＺｒＯ２、 ＴｉＯ２ 的摩尔数称量。考虑到在高温烧结过程中 ＰｂＯ 的挥发，通常需加入 １０％的过量 ＰｂＯ［７］。 ｂ． 混合 压电陶瓷坯体中的各种组分应当非常均匀地加 以混合。如果混合均匀性不好来自百度文库则压电和介电性能一 般会受到损害。可用将按比例量好的 ＰｂＯ、ＺｒＯ２ 、 ＴｉＯ２ 的混合物研磨 １ 小时，使其混合均匀。 ｃ． 预烧 预烧的目的是除支混合物中的水分及其它可挥 发的杂质。预烧时间为３ 小时左右，预烧温度在６００ ℃为宜。预烧温度不能太高，因为当温度达到８００℃ 时，ＰｂＯ 将开始挥发。 ｄ． 研磨 研磨可以使组成的不均匀性和预烧产生的不均 匀性得到改善，一般要求颗粒磨到 ｌ～１０ μ ｍ 互间。 ｅ． 成形 可用专用压片机在一定压力下将混合物压成所 需试样。 ｆ． 烧结 把压制成形的试样放入坩埚中进行加温烧结， 加温速度以３～５℃／ｍｉｎ为宜， 烧结温度可取１２００℃ 左右，然后保温２小时。其反应过程分为三步。即［８］， 反应第一步， ＰｂＯ＋ＴｉＯ２ →ＰｂＴｉＯ３ （２） 反应第二步， ＰｂＴｉＯ３＋ＰｂＯ＋ＺｒＯ２ → Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３ （３） 反应第三步（ｘ＜ｘ’）， Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ，Ｔｉｘ）Ｏ３＋ＰｂＴｉＯ３→Ｐｂ（Ｚｒ１－ｘ’，Ｔｉｘ’）Ｏ３ （４） ｇ． 坯件加工 许多压电陶瓷零件，需要正确的尺寸和光滑的 表面，以便与复杂的换能器的其他元件相装配。常用 的研磨机器采用 Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ 或金刚砂作为研磨介质， 水为主要的冷却剂。 ｈ． 上电极 导电极是每个压电陶瓷换能器不可缺少的部分， 最常见的形式是上一层银。上银时，可使用市面上的 银浆，用常温干燥或高温燃烧使它与陶瓷表面牢固 结合成为连续的导电层。 ｉ． 极化 即在高电场下，使铁电体电畴的取向尽量一致。
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的不同要求，可以选用不同的锆钛比成分来配方。例 如，要求高 Ｋｐ（机电耦合系数），高∈（介电常数） 的材料，就需要选择铬钛比个相界附近的配方；如果 要求高 Ｑｍ（机械品质因数），低 Ｋｐ 的材料，就往往 选取离开相界的铬钛比的配方。所以，ＰＺＴ 压电陶 瓷材料的性能可以通过改变锆钛比来进行调节。
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极化能左右压电陶瓷的特性，而且还能影响其老化 特性。对 ＰＺＴ 陶瓷一般在 ３０－４０ｋＶ／ｃｍ 的电场下进 行极化，极化时间为 ３０ 分钟到 １ 个小时，大多是在 油浴中进行。
ＰＺＴ 压电陶瓷的结构和形貌可通过 Ｘ 射线衍射 （Ｘ Ｒ Ｄ）及扫描电镜（Ｓ Ｅ Ｍ）进行观测，介电性能可
２、高价离子置换 它是指用比 Ｐｂ２＋、Ｔｉ４ ＋或 Ｚｒ４ ＋化合价高的金属 离子置换 ＰＺＴ陶瓷中部分Ｐｂ２＋ 或Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４＋）。例如， 用 Ｌａ３＋、Ｂｉ３＋、Ｓｂ３＋ 等离子置换 Ｐｂ２＋；用 Ｎｂ５＋， Ｔａ５＋， Ｗ６＋ 等离子置换 Ｔｉ４ ＋ （Ｚｒ４ ＋ ）。高价离子置换，使得 ＰＺＴ 陶瓷材料性能变“软”，故又称软件添加物改性。其 变化规律一般为： ａ． 介电系数∈ 增大； ｂ． 机械品质因素 Ｑｍ 降低； ｃ． 机电耦合系数 Ｋｐ 升高； ｄ． 电滞回线变成矩形，矫顽场 Ｅｃ 降低； ｅ． 老化性能改善； ｆ． 烧结温度降低。 ３、低价离子置换 它是指用比 Ｐｂ２＋ 或 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４＋）化合价低的金属 离子置换 ＰＺＴ 陶瓷中部分 Ｐｂ２＋ 或 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４ ＋）。如用 Ｋ ＋ 、Ｎ ａ ＋ 等离子置换部分 Ｐ ｂ ２ ＋ ；用 Ｍ ｇ ２ ＋ ，Ａ ｌ ３ ＋ ， Ｆｅ３＋，Ｓｃ３＋ 和 Ｉｎ３＋ 置换 Ｔｉ４ ＋（Ｚｒ４ ＋）。这些离子在 ＰＺＴ 陶瓷中的作用是使材料性能变“硬”，故又称为硬性 添加物改性。其变化规律一般是： ａ． 介电系数∈ 降低； ｂ． 压电性能下降，如 Ｋｐ 下降； ｃ． 机械品质因数 Ｑｍ 提高； ｄ． 矫顽场 Ｅｃ 提高，极化和去极化困难； ｅ． 密度增大。 总之，对于 ＰＺＴ 陶瓷，采取改变 Ｚｒ／Ｔｉ 比值或 添加改性物等方法，可以调节和改进电性能。ＰＺＴ陶 瓷与 ＢａＴｉＯ３ 了陶瓷相比，压电性能优良，居单温度 高，电性能稳定性好。改变组分和添加物，容易得到 各种不同的压电陶瓷。它是目前广泛应用的一种压 电陶瓷材料。主要用于制作超声换能器、水声换能 器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器等。 三、ＰＺＴ 压电陶瓷的制备 ＰＺＴ 压电陶瓷的制备一般分为原料的称量、混 合、预烧、研磨、成形、烧结等步骤［５］。实验中可参 考下述过程， ａ． 称量 在如下的反应式中，
参考文献 ［１］ 薛 劲 松 、宋 宏 ．ＣＩＭＳ 的 总 体 设 计 ．北 京：机 械 工 业 出 版 社，１９９８ ［２］ 白 庆 华 、何 玉 林 ．ＣＩＭＳ 中 的 系 统 集 成 和 信 息 集 成 ．北 京： 电子工业出版社，１９９７ ［３］ Ｃｈａｒｉｓｔｏｐｈ Ｚｏ１１ｅｒ．Ｆｒｏｍ Ｐｒｅｓｅｔｔｉｎｇ ｔｏ ｔｏｏｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｌ９９８，５０（３）：３４－３８