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超声换能器中经常使用压电材料来实现机电信号的互相转换。锆钛酸铅(PZT)陶瓷因为性能优异，制备方便，成为目前应用最为广泛的压电材料。最近发现的以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)为代表的弛豫铁电单晶，因其在准同型相界(MPB)附近具有非常高的压电和机电耦合性能而被视为超声应用中的一种优异的压电材料。然而，PMNT相对低的居里温度限制了其应用范围。为了提高材料的应用温度，近年来又成功制备了一种三元系弛豫铁电单晶Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIMNT)。本论文围绕PIMNT单晶的性能表征及其在超声换能器中的应用展开研究，主要工作如下：
首先使用改进的Bridgman法生长了名义组分为PIMNT33/35/32的弛豫铁电单晶，并表征了其晶锭中不同位置的真实组分、相结构和相对应的性能，以揭示此三元体系单晶的分凝规律和生长特性。使用声速法和谐振-反谐振法分别表征了三方组分的PIMNT25/47/28单晶[001]和[011]方向极化后的全套力学、介电和压电参数。同时还研究了其低温下的相结构、介电响应规律并表征了低温压电性能。PIMNT单晶表现出和PMNT同样优异的压电和机电耦合性能，而其三方-四方相变温度和居里温度可以提高30℃以上，所以这种新型压电材料可以适用于更宽的温度范围。
根据超声换能器对压电材料的性能要求，同时为了充分发挥弛豫铁电单晶的高机电耦合性能，本论文中使用切割填充法制备了PIMNT/环氧1-3复合材料。基于理论模拟的结果，成功制备了不同体积分数和谐振频率的复合材料，并分别用于特定超声换能器的制作。最终制得的复合材料表现出了高的机电耦合系数(kt>0.80)和低声阻抗(Z<20 Mrayls)，并且相比PMNT/环氧复合材料具有更好的温度稳定性。
在材料制备的基础上，使用弛豫铁电单晶及其复合材料设计并制作了应用于无损检测的多种超声换能器，包括双晶纵波斜探头、横波斜探头和TOFD探头。使用KLM电路模拟的方法确定了换能器的最优匹配和背衬结构，并且使用PiezoCAD软件来模拟了在最优结构下的性能。最终制作的换能器在主要性能(如插入损耗、-6 dB相对带宽、灵敏度余量和轴向分辨力等)上，相比同类型的商用的PZT基1-3复合材料换能器都有了明显的提高。