激光干涉法测量压电系数的理论基础与应用

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压电材料是一种能够实现电能与机械能相互转化的材料,广泛应用于无损检测、动态传感、医学成像等技术领域。压电系数是评价压电材料性能高低的重要指标,其准确测算直接影响到压电材料在各类压电器件中的应用。因此,压电性能参数的精确测量对压电材料的开发与应用具有重要意义。目前,常用的压电材料的性能表征方法主要有静态法、准静态法、布里渊散射法、谐振法和超声法等,这几种方法均能在一定程度上实现对压电系数的表征,但有各自的局限性。静态法测试受限较多,测量精度低。谐振法容易受到非相关振动模式的干扰,对样品尺寸要求较高且很难直接判断压电系数的符号。超声法主要用于测算压电材料的弹性系数,压电系数的获得需要进一步计算得到。因此,寻找一种精度高且直接有效的压电系数的测量方法,对准确表征压电材料的性能参数具有重要意义。针对现有测试方法之不足,本论文分析了干涉法在压电系数测算中的影响因素,探究了干涉法用于压电系数表征的可行性。以中级晶族三方晶系为例,通过仿真模拟与实验测试相结合的方式,对干涉法测算压电系数进行了验证,给出了适用于干涉法测试用晶体切型的条件,并在低对称性晶体中进行了推广验证。主要工作有:1、分析了干涉法测试的理论基础,讨论了晶体形变的产生因素并确定了适用于干涉法测试的晶体形变条件。讨论了实验过程中可能出现的误差因素并提供了相应的解决办法。2、采用COMSOL仿真模拟对中级晶族三方晶系的LiNb03(LN)晶体和La3Ga5.5Ta0.5O14(LGT)晶体的形变进行了研究。通过仿真模拟寻找适用于干涉法测算压电系数的晶体切型,为实际测试过程中晶体切型的设计提供理论支持。3、结合仿真模拟结果,制备了适合于LGT和LN晶体压电系数测算用各类切型,并进行了干涉法测试。与现有数据对比得到干涉法测试晶体压电系数具有较高的准确性,并在压电系数符号上确定方面具有突出优势。4、将干涉法测试进一步拓展至单斜晶系晶体。设计了单斜晶系α-BiB3O6(BIBO)晶体干涉法测试用晶体切型。对BIBO晶体进行干涉法的实验测试,获得了晶体全部的独立压电系数。基于干涉法测试结果,对晶体进行了形变模拟,模拟结果与实验结果吻合,证明干涉法在低对称性晶体的测试中也具有很好的适应性和准确性。为该方法的推广奠定了基础。
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