壓電材料具有顯著的壓電效應(yīng)特性,當(dāng)對(duì)其施加機(jī)械應(yīng)力或壓力時(shí),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差,能實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能到電能的轉(zhuǎn)化。反之,若在壓電材料上施加電場(chǎng),其會(huì)發(fā)生機(jī)械變形,能實(shí)現(xiàn)電能到力學(xué)性能的轉(zhuǎn)換。這種獨(dú)特的性能使得壓電材料在航空航天、電子信息、聲學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1]。隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步,對(duì)材料性能的要求也在不斷提高[2]。在航天測(cè)試領(lǐng)域,氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料為液氫和液氧,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)組件的表面溫度顯著降低。鑒于這種極端的低溫環(huán)境,當(dāng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和應(yīng)力波等進(jìn)行關(guān)鍵測(cè)試任務(wù)時(shí),壓電材料作為傳感器中的關(guān)鍵敏感元件,其諧振頻率、介電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)及介質(zhì)損耗等性能參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)顯著的變化[3]。在低溫條件下,壓電材料的性能表現(xiàn)對(duì)于確保測(cè)試結(jié)果的精確性和可靠性具有決定性意義,因此對(duì)液氮低溫環(huán)境下壓電材料的性能穩(wěn)定性研究至關(guān)重要[4]。 

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓電材料相繼開(kāi)展了不同溫度下的相關(guān)性能測(cè)試,GERSON[5]在溫度為4~100 K下測(cè)試了已極化壓電材料的性能,發(fā)現(xiàn)該材料在較低溫度下仍然具有較明顯的壓電活性。WANG等[6]對(duì)PZT-5H材料的溫度依賴性進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低,材料的壓電系數(shù)逐漸減小。黃滟荻[7]在室溫條件下對(duì)PMN-PT材料的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究,并探討了其在不同溫度下的鐵電性能,通過(guò)分析剩余極化強(qiáng)度、矯頑電場(chǎng)以及電滯回線面積與溫度之間的關(guān)系,對(duì)PMN-PT材料的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。尹鶴瞳[8]測(cè)試了PZT-5H材料在室溫及低溫條件下的靜態(tài)電學(xué)參數(shù),發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下PZT-5H材料的電阻率在諧振頻率與反諧振頻率之間呈現(xiàn)顯著的變化趨勢(shì),在相同的加載頻率下,隨著溫度的升高,PZT-5H材料的電阻率呈降低趨勢(shì)。 

筆者對(duì)壓電材料進(jìn)行阻抗測(cè)試,并分析了不同溫度下材料的諧振頻率、機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)等參數(shù),探究了壓電材料在室溫和液氮溫度下的性能差異,研究結(jié)果可為壓電材料的極端溫度應(yīng)用提供借鑒。 

1.   試驗(yàn)方法及試驗(yàn)材料

依據(jù)EN 50324–1∶2002《陶瓷材料和元件的壓電性能 第1部分：術(shù)語(yǔ)和定義》及EN 50324–2∶2002《陶瓷材料和元件的壓電特性 第2部分：測(cè)量方法——低功率》,壓電材料的基本振動(dòng)模式主要參考EN 50324–1∶2002,用于激發(fā)各種模式。 

主要采用電測(cè)法測(cè)量壓電材料的參數(shù),包括動(dòng)態(tài)法、靜態(tài)法和準(zhǔn)靜態(tài)法等多種方式[9]。其中,動(dòng)態(tài)法是通過(guò)施加交流信號(hào)激勵(lì)試樣,使其狀態(tài)處于諧振附近。通過(guò)測(cè)量試樣的特征頻率,并進(jìn)行計(jì)算,就可以得到材料的壓電性能參數(shù)[10]。利用精密阻抗分析儀,測(cè)量了試樣的電容CT和介質(zhì)損耗因數(shù)tan δ。通過(guò)分析試樣的頻率-阻抗譜,可得到串聯(lián)諧振電阻R、串聯(lián)諧振頻率fs以及并聯(lián)諧振頻率fp等參數(shù),其他壓電性能參數(shù)可以根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出。在液氮溫度下進(jìn)行測(cè)試時(shí),先把待測(cè)壓電材料浸沒(méi)到盛有液氮的杜瓦罐中15 min,從杜瓦罐取出待測(cè)壓電材料后,在5 s內(nèi)完成一組數(shù)據(jù)測(cè)試,超時(shí)要重新放入杜瓦罐中冷卻3 min以上,然后再取出重新完成測(cè)試。 

對(duì)鈦酸鋇（BaTiO3）、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）單晶、鋯鈦酸鉛（PZT255）、鋯鈦酸鉛（PZT251）、鈦酸鍶鋇（BST）5種壓電材料分別在室溫（298 K）和液氮溫度（77 K）下的壓電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。壓電材料主要包括壓電單晶體、多晶體壓電陶瓷、壓電陶瓷復(fù)合材料和高分子壓電材料及聚合物等。壓電陶瓷具有穩(wěn)定的壓電性能,在市場(chǎng)上占據(jù)重要地位,成為目前較受歡迎的壓電材料之一。軟性壓電陶瓷對(duì)反復(fù)的機(jī)械載荷非常敏感。硬質(zhì)材料在重復(fù)的機(jī)械循環(huán)中沒(méi)發(fā)生退化,但在恒定載荷下對(duì)延長(zhǎng)時(shí)間很敏感。硬質(zhì)PZT組合物在雙軸彎曲試驗(yàn)中的力學(xué)性能優(yōu)于軟性壓電陶瓷。在不同溫度下壓電陶瓷的性能會(huì)有所變化,當(dāng)其無(wú)法再滿足預(yù)期的應(yīng)用需求時(shí),可以認(rèn)為該壓電陶瓷已經(jīng)失效。5種材料出廠壓電性能參數(shù)如表1所示。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

2.1   壓電振子等效電路及諧振頻率

利用壓電材料的壓電效應(yīng),可以將其制成具有特定取向和形狀的壓電器件,并配備電極。當(dāng)電信號(hào)輸入時(shí),如果器件的機(jī)械諧振頻率與信號(hào)頻率相匹配,逆壓電效應(yīng)將引發(fā)器件的機(jī)械諧振,而正壓電效應(yīng)則能促使器件的機(jī)械諧振產(chǎn)生電信號(hào)。這類器件被稱為壓電振子,通常用于制造諧振換能器件、標(biāo)準(zhǔn)頻率振子以及濾波器。壓電振子的等效電路如圖1所示,該等效電路由電容、電感和電阻的串連支路與電容并聯(lián)而成,在諧振頻率附近可以認(rèn)為這些參數(shù)與頻率無(wú)關(guān)。當(dāng)施加在壓電振子上的電信號(hào)頻率等于其固有振動(dòng)頻率fr,即電納為0時(shí),壓電振子的彈性最大,并可發(fā)生諧振。此外,壓電振子還具有串聯(lián)諧振頻率（即最大電導(dǎo)頻率）fs、并聯(lián)諧振頻率（即最大阻抗頻率）fp、反諧振頻率（即電抗為0）fa、最小阻抗頻率fm、最大阻抗頻率fn等重要臨界頻率。 

圖  1  壓電振子的等效電路

當(dāng)系統(tǒng)的應(yīng)變振幅輸出值和振子的電流同時(shí)達(dá)到最大時(shí),此時(shí)的頻率被稱為最小阻抗頻率,也可稱為最大導(dǎo)納頻率。若繼續(xù)提高外加電信號(hào)的頻率,減小振子輸出的電流,當(dāng)阻抗達(dá)到最大值時(shí),對(duì)應(yīng)的頻率則被稱為最大阻抗頻率,也可稱為最小導(dǎo)納頻率fn,即當(dāng)電阻R1為0時(shí),fm=fr=fs=fn=fa=fp。在實(shí)際應(yīng)用中,近似偏差一般小于1%[11],這些參數(shù)可以分別用頻率對(duì)fr和fa來(lái)近似,即fm≈fr≈fs,fn≈fa≈fp。 

使用精密阻抗分析儀在室溫和液氮溫度下對(duì)BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST進(jìn)行壓電性能參數(shù)測(cè)試,得到阻抗和頻率的關(guān)系,阻抗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)即為諧振頻率,阻抗最大時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)即為反諧振頻率,測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知：在室溫條件下,BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST試樣的諧振頻率分別為82.5,171.8,981.2,38.9,103.9 kHz,與表1中材料的出廠壓電性能接近,說(shuō)明測(cè)試流程正確。 

在室溫和液氮溫度下,5種壓電材料試樣的阻抗與頻率關(guān)系如圖2所示。由圖2可知：溫度從室溫298 K降到液氮溫度77 K后,5種壓電材料試樣諧振頻率都存在不同程度的偏移,頻率的相對(duì)偏移量從高到低依次為PMN-PT(18.9%)>PZT251(14.7%)>BST(1.7%)>PZT255(1.0%)>BaTiO3(0.2%),其中BaTiO3、PZT255、BST在兩種溫度下的諧振頻率偏移較小,都不超過(guò)2%,表現(xiàn)出較好的溫度頻率穩(wěn)定性,但BaTiO3的諧振電阻變化（1 108.0 Ω）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于BST的諧振電阻變化（245.2 Ω）及PZT255的諧振電阻變化（6.8 Ω）,因此BST及PZT255表現(xiàn)出更好的低溫性能穩(wěn)定性。 

圖  2  室溫和液氮溫度下5種壓電材料試樣的阻抗與頻率關(guān)系

2.2   機(jī)電耦合系數(shù)K

機(jī)電耦合系數(shù)是衡量壓電材料性能的關(guān)鍵參數(shù),反映了壓電材料在力學(xué)性能與電能之間轉(zhuǎn)換的能力[12]。壓電材料的K越大,意味著其力學(xué)性能與電能之間的相互耦合能力越強(qiáng)。平面機(jī)電耦合系數(shù)kp描述了機(jī)械響應(yīng)與電場(chǎng)之間的耦合關(guān)系,進(jìn)而產(chǎn)生平面振動(dòng)。當(dāng)平面機(jī)電耦合系數(shù)kp較小時(shí),可以采用式（1）進(jìn)行近似計(jì)算。 

5種材料的平面機(jī)電耦合系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知：PMN-PT具有較大平面機(jī)電耦合系數(shù)；當(dāng)溫度從室溫298 K降到液氮溫度77 K后,BST的平面機(jī)電耦合系數(shù)變化最小,表現(xiàn)出優(yōu)異的能量交換穩(wěn)定性。 

2.3   介電常數(shù)

介電常數(shù)反映了電介質(zhì)材料的介電性能和極化行為,可用材料兩電極之間電介質(zhì)的電容與真空狀態(tài)下電容的比值表示,計(jì)算方法如式（2）所示。 

式中：ε0為真空介電常數(shù),其值為8.854×10−12 F/m；εr為相對(duì)介電常數(shù)；εT為介電常數(shù)；CT為試樣的自由電容；t為試樣的厚度；A為試樣電極面積。對(duì)于壓電陶瓷,測(cè)量CT時(shí)要求測(cè)量頻率遠(yuǎn)低于最低諧振頻率,通常為1 kHz。5種材料的相對(duì)介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知：室溫下5種材料的相對(duì)介電常數(shù)測(cè)試結(jié)果與出廠參數(shù)具有較好的一致性；液氮低溫環(huán)境下,5種材料的相對(duì)介電常數(shù)減小幅度不同,電荷儲(chǔ)存能力減弱；BST的相對(duì)介電常數(shù)的低溫相對(duì)變化最小,說(shuō)明其在液氮低溫環(huán)境下具有較優(yōu)異的介電性能；這5種材料相對(duì)介電常數(shù)的恢復(fù)室溫相對(duì)變化都未超過(guò)10%,說(shuō)明5種材料的介電性能未出現(xiàn)不可逆的損傷。 

2.4   介質(zhì)損耗因數(shù)tan δ

介質(zhì)損耗因數(shù)為在確定頻率的正弦波電壓下,電阻功率（介質(zhì)功率損耗）與無(wú)功功率的比值[13]。介質(zhì)損耗因數(shù)反映了壓電材料在交變電場(chǎng)作用下能量損失的程度,介質(zhì)損耗因數(shù)越小,表明壓電材料的能量轉(zhuǎn)換效率越高。5種材料的介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)試結(jié)果如表5所示。由表5可知：室溫下5種材料的介質(zhì)損耗測(cè)試結(jié)果與出廠參數(shù)具有較好的一致性；液氮低溫環(huán)境下,5種材料的介質(zhì)損耗都存在不同程度的增大,能量轉(zhuǎn)換效率降低,從對(duì)比恢復(fù)室溫后的介質(zhì)損耗可以看出,這種轉(zhuǎn)變存在不可逆性,表明BaTiO3、BST不適宜大溫度區(qū)域交替變化的使用工況；PZT251、PMN-PT、PZT255的低溫介質(zhì)損耗相對(duì)變化及恢復(fù)室溫介質(zhì)損耗相對(duì)變化都不超過(guò)20%,表現(xiàn)出較優(yōu)異的介質(zhì)損耗穩(wěn)定性。 

3.   結(jié)論

（1） 在液氮低溫環(huán)境下,壓電材料的諧振電阻及諧振頻率都存在不同程度的增大,BST的變化最小。 

（2） 在液氮低溫環(huán)境下,壓電材料的介電常數(shù)、平面機(jī)電耦合系數(shù)均存在不同程度的減小,介質(zhì)損耗均存在不同程度的增大,BST的變化最小,說(shuō)明5種壓電材料的能量變換能力都發(fā)生了不同程度的減弱。 

（3） 液氮低溫環(huán)境會(huì)對(duì)BaTiO3及BST的介質(zhì)損耗造成不可逆的影響。

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