【摘 要】
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PMN-PT晶体是PMN-x PT[(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x Pb Ti O3]晶体的简称,其中x表示PT的含量。这一系列的晶体具有比传统陶瓷材料更高的压电系数和机电耦合系数,并且介电损耗较小,
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PMN-PT晶体是PMN-x PT[(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x Pb Ti O3]晶体的简称,其中x表示PT的含量。这一系列的晶体具有比传统陶瓷材料更高的压电系数和机电耦合系数,并且介电损耗较小,所以在压电换能器中有着很好的应用前景。但是仅仅简单地用单晶材料替换传统的压电陶瓷,并不能像所期望的那样大幅度提高换能器性能,还必须针对单晶材料各向异性的特点来设计换能器。以压电晶体为核心部件的换能器在正常工作时必须满足特定的声学模式。具体而言,由压电效应激发的声波最好只有一个模式-纯纵模或者纯切变模。对于激发准纵模的换能器来讲,质点的振动方向应基本上与晶体的法线方向一致,即使有偏离,不能超过几度。对于激发准切变模的换能器来讲,质点的振动方向基本上在晶体本身平面内,即使有偏离,也不得超过几度。如果同时激发两个模式的声学波,就要求其中一个模式的机电耦合系数较大,而另一个的机电耦合系数尽量的接近于零。本文依据以上原则,采用数值计算的方法研究了PMN-PT晶体的单模切割方向。通过求解在绕X,Y,Z轴旋转的三种情况下考虑压电效应的Christoffel方程,计算出和压电效应直接相关的声学波模式,并判断是否为单模切割方向。具体研究结果如下:对于三方相PMN-PT晶体(x=0.33),只有一个可用切向,即Z切。该切向由压电效应产生的声学模为纯纵模,机电耦合系数为0.469,波速为5217.5m/s。旋转X切时,X、X-60°和X-120°三种切型压电效应均激发两个声学模,但由于机电耦合系数较小的那个不接近于零,故为不可用切向;X-30°和X-90°切是等价的切向,压电效应激发的一个声学模的k值为0.05接近于零,但另一个k值较大的声学模的偏振化方向偏离了晶片平面14°,故也为不可用切向。旋转Y切中,只有在170°到172°之间,一个声学模的k值接近于零,另一个比较大。但是由于k值较大的声学模的偏振方向与理想方向偏离太大导致这些切型不可用。对于四方相PMN-PT的四种晶体(x=0.30,0.33,0.38,0.42)都只有三种可用切型,分别为X切、Y切、Z切。其中,对于X切,PMN-0.42PT晶体的机电耦合系数最大,高达0.80,为纯切变模,波速为1976 m/s;对于Y切,PMN-0.42PT晶体的电耦合系数与X切的相同,仍为最大,也是纯切变模,相应的波速为3153 m/s;对于Z切,PMN-0.33PT晶体的电耦合系数最大,为0.63,波速为4634 m/s,为纯纵模。本研究结果对PMN-PT晶体在换能器等压电器件中的应用具有理论指导作用。
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