PMN-xPT晶体压电性能和切型的研究

来源 :河北工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinlu2010
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PMN-xPT单晶具有优异的压电性能而有望替代传统的压电陶瓷材料。陶瓷材料的压电性能是横向各向同性的,而PMN-xPT晶体的压电性能具有各向异性。只有在实际应用中考虑到晶体的这一特性来切割压电晶体,才能更好的利用晶体的压电性能。本文利用坐标系Z-X二次旋转法对PMN-xPT(x=0.30、0.33、0.38、0.42)压电晶体的常用的压电模量和机电耦合系数的各向异性展开了研究,研究结果如下:对于三方相PMN-0.33PT单晶,d33和k33分别由190 pC/N和0.69变为2410.9 pC/N和0.94,对应的旋转角度分别为(-63°/0°)和(-70.5°/0°),分别扩大了12.6倍和1.36倍;d31和k31分别由-90 pC/N和0.15变为1342.9 pC/N和0.92,对应的旋转角度分别为(94.5°/0°)和(112.5°/0°),分别扩大了15倍和6.1倍;d36和k36在原坐标系下并不存在,旋转后最大值能达到1340 pC/N和0.73,对应的旋转角度为(45°/90°)和(148.5°/46.5°)。压电模量d15和d24旋转前的值均为4100 pC/N,经旋转最大值分别为4898.2 pC/N和4279.7 pC/N,变化不大。另外机电耦合系数k15、k24无需坐标旋转就达已达到最大值。具有4mm结构的x=0.30、0.33、0.38、0.42的四种晶体的压电模量d16、d21、d22、d23、d34和机电耦合系数k16、k21、k22、k23、k34在原坐标系下均为0,经过坐标系二次旋转后都能得到各自的最大值,但是分别与坐标系旋转之前的某分量的数值相等。这样的旋转无实际意义,故不予考虑。x=0.30、0.33、0.42的三种晶体的压电模量在三维空间的分布完全相同,它们的压电模量只有d24的值经Z-X二次坐标转换角度分别为(-54°/-180°)、(54°/0°)和(-49.5°/0°)后有不同程度的提高。PMN-0.33PT、PMN-0.30PT晶体的d24在原坐标系下的值为分别为146.1pC/N、190.3pC/N,分别远远小于各自d33的值2820pC/N、1981 pC/N;旋转后最大值分别为3170.4 pC/N、2197.5 pC/N,分别扩大了21.7倍、11.5倍,远远大于各自的d33的值。PMN-0.42PT晶体的d24的值为131pC/N,二次旋转后最大值为250.3 pC/N,仍小于d33的值300 pC/N,所以旋转切割意义不大。对于PMN-0.38PT晶体,二次旋转之后其压电模量分量并没有产生新的数值,故旋转切割无意义。具有4mm结构的x=0.30、0.33、0.38、0.42的四种晶体的机电耦合系数有以下特点。PMN-0.33PT与PMN-0.30PT晶体的所有的机电耦合系数在三维空间的分布完全相同;与以上两种晶体相比,PMN-0.38PT晶体只有k31的三维空间的分布相同,但是只有k24的最大值规律不相同:最大值不再是8个,而是沿±Z轴方向的2个;与前两种晶体相比,PMN-0.42PT晶体只有k15、k33的三维空间的分布不同,但是却与四方相PMN-0.38PT晶体相同。坐标系二次旋转能使PMN-0.33PT与PMN-0.30PT晶体的k24、k31大幅提高,对PMN-0.42PT晶体影响不大,对PMN-0.38PT晶体无影响。本文针对于PMN-xPT晶体的压电性能各向异性的研究结果对于其在压电器件中的应用具有一定的理论指导意义。
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