分享：典型壓電材料在液氮低溫環(huán)境下的壓電性能

壓電材料具有顯著的壓電效應特性,當對其施加機械應力或壓力時,其內部會產生電勢差,能實現(xiàn)力學性能到電能的轉化。反之,若在壓電材料上施加電場,其會發(fā)生機械變形,能實現(xiàn)電能到力學性能的轉換。這種獨特的性能使得壓電材料在航空航天、電子信息、聲學等領域具有廣泛的應用價值[1]。隨著現(xiàn)代科技的不斷進步,對材料性能的要求也在不斷提高[2]。在航天測試領域,氫氧火箭發(fā)動機的燃料為液氫和液氧,導致發(fā)動機相關組件的表面溫度顯著降低。鑒于這種極端的低溫環(huán)境,當對發(fā)動機的振動和應力波等進行關鍵測試任務時,壓電材料作為傳感器中的關鍵敏感元件,其諧振頻率、介電常數(shù)、機電耦合系數(shù)及介質損耗等性能參數(shù)可能會出現(xiàn)顯著的變化[3]。在低溫條件下,壓電材料的性能表現(xiàn)對于確保測試結果的精確性和可靠性具有決定性意義,因此對液氮低溫環(huán)境下壓電材料的性能穩(wěn)定性研究至關重要[4]。 

國內外學者對壓電材料相繼開展了不同溫度下的相關性能測試,GERSON[5]在溫度為4~100 K下測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PZT-5H材料的溫度依賴性進行了探究,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PMN-PT材料的電學參數(shù)進行了研究,并探討了其在不同溫度下的鐵電性能,通過分析剩余極化強度、矯頑電場以及電滯回線面積與溫度之間的關系,對PMN-PT材料的溫度穩(wěn)定性進行了評估。尹鶴瞳[8]測試了PZT-5H材料在室溫及低溫條件下的靜態(tài)電學參數(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,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。 

筆者對壓電材料進行阻抗測試,并分析了不同溫度下材料的諧振頻率、機電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、介質損耗因數(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,研究結果可為壓電材料的極端溫度應用提供借鑒。 

1.   試驗方法及試驗材料

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

主要采用電測法測量壓電材料的參數(shù),包括動態(tài)法、靜態(tài)法和準靜態(tài)法等多種方式[9]。其中,動態(tài)法是通過施加交流信號激勵試樣,使其狀態(tài)處于諧振附近。通過測量試樣的特征頻率,并進行計算,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,測量了試樣的電容CT和介質損耗因數(shù)tan δ。通過分析試樣的頻率-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)可以根據測試標準計算得出。在液氮溫度下進行測試時,先把待測壓電材料浸沒到盛有液氮的杜瓦罐中15 min,從杜瓦罐取出待測壓電材料后,在5 s內完成一組數(shù)據測試,超時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試。 

對鈦酸鋇（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)進行測量。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,在市場上占據重要地位,成為目前較受歡迎的壓電材料之一。軟性壓電陶瓷對反復的機械載荷非常敏感。硬質材料在重復的機械循環(huán)中沒發(fā)生退化,但在恒定載荷下對延長時間很敏感。硬質PZT組合物在雙軸彎曲試驗中的力學性能優(yōu)于軟性壓電陶瓷。在不同溫度下壓電陶瓷的性能會有所變化,當其無法再滿足預期的應用需求時,可以認為該壓電陶瓷已經失效。5種材料出廠壓電性能參數(shù)如表1所示。 

2.   試驗結果

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,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。當電信號輸入時,如果器件的機械諧振頻率與信號頻率相匹配,逆壓電效應將引發(fā)器件的機械諧振,而正壓電效應則能促使器件的機械諧振產生電信號。這類器件被稱為壓電振子,通常用于制造諧振換能器件、標準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為這些參數(shù)與頻率無關。當施加在壓電振子上的電信號頻率等于其固有振動頻率fr,即電納為0時,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

當系統(tǒng)的應變振幅輸出值和振子的電流同時達到最大時,此時的頻率被稱為最小阻抗頻率,也可稱為最大導納頻率。若繼續(xù)提高外加電信號的頻率,減小振子輸出的電流,當阻抗達到最大值時,對應的頻率則被稱為最大阻抗頻率,也可稱為最小導納頻率fn,即當電阻R1為0時,fm=fr=fs=fn=fa=fp。在實際應用中,近似偏差一般小于1%[11],這些參數(shù)可以分別用頻率對fr和fa來近似,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BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST進行壓電性能參數(shù)測試,得到阻抗和頻率的關系,阻抗最小時對應的頻率點即為諧振頻率,阻抗最大時對應的頻率點即為反諧振頻率,測試結果如表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,說明測試流程正確。 

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）遠遠大于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系

2.2   機電耦合系數(shù)K

機電耦合系數(shù)是衡量壓電材料性能的關鍵參數(shù),反映了壓電材料在力學性能與電能之間轉換的能力[12]。壓電材料的K越大,意味著其力學性能與電能之間的相互耦合能力越強。平面機電耦合系數(shù)kp描述了機械響應與電場之間的耦合關系,進而產生平面振動。當平面機電耦合系數(shù)kp較小時,可以采用式（1）進行近似計算。 

5種材料的平面機電耦合系數(shù)計算結果如表3所示。由表3可知：PMN-PT具有較大平面機電耦合系數(shù)；當溫度從室溫298 K降到液氮溫度77 K后,BST的平面機電耦合系數(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)反映了電介質材料的介電性能和極化行為,可用材料兩電極之間電介質的電容與真空狀態(tài)下電容的比值表示,計算方法如式（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。對于壓電陶瓷,測量CT時要求測量頻率遠低于最低諧振頻率,通常為1 kHz。5種材料的相對介電常數(shù)測試結果如表4所示。由表4可知：室溫下5種材料的相對介電常數(shù)測試結果與出廠參數(shù)具有較好的一致性；液氮低溫環(huán)境下,5種材料的相對介電常數(shù)減小幅度不同,電荷儲存能力減弱；BST的相對介電常數(shù)的低溫相對變化最小,說明其在液氮低溫環(huán)境下具有較優(yōu)異的介電性能；這5種材料相對介電常數(shù)的恢復室溫相對變化都未超過10%,說明5種材料的介電性能未出現(xiàn)不可逆的損傷。 

2.4   介質損耗因數(shù)tan δ

介質損耗因數(shù)為在確定頻率的正弦波電壓下,電阻功率（介質功率損耗）與無功功率的比值[13]。介質損耗因數(shù)反映了壓電材料在交變電場作用下能量損失的程度,介質損耗因數(shù)越小,表明壓電材料的能量轉換效率越高。5種材料的介質損耗因數(shù)測試結果如表5所示。由表5可知：室溫下5種材料的介質損耗測試結果與出廠參數(shù)具有較好的一致性；液氮低溫環(huán)境下,5種材料的介質損耗都存在不同程度的增大,能量轉換效率降低,從對比恢復室溫后的介質損耗可以看出,這種轉變存在不可逆性,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的低溫介質損耗相對變化及恢復室溫介質損耗相對變化都不超過20%,表現(xiàn)出較優(yōu)異的介質損耗穩(wěn)定性。 

3.   結論

（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)、平面機電耦合系數(shù)均存在不同程度的減小,介質損耗均存在不同程度的增大,BST的變化最小,說明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)境會對BaTiO3及BST的介質損耗造成不可逆的影響。

文章來源——材料與測試網