弛豫铁电单晶剪切压电性能研究

在医疗B超和水声换能器的应用背景下，具有超高压电性弛豫铁电单晶自上世纪末被广泛关注。目前，弛豫铁电单晶纵向压电性能已被深入研究，其纵向压电常数高达2000pC/N、机电耦合系数达90%以上，均远高于传统锆钛酸铅陶瓷材料。在最近研究中，弛豫铁电单晶剪切压电性能受到越来越多的关注，被认为是其超高纵向压电效应产生的关键因素。研究表明，弛豫铁电单晶剪切压电常数可达6000pC/N，是纵向压电常数的3倍，并且通过晶体组分和切型的调整，剪切压电性能可在-50 C-100 C温度范围内保持不变，被认为是开发高性能换能器的理想压电材料。本项目将深入研究弛豫铁电单晶剪切性能与晶体组分、切型、相结构、电畴结构之间的关系，并以此为突破口，探讨弛豫铁电单晶高压电性的起源问题。在应用方面，本项目将归纳弛豫铁电单晶剪切性能与服役场的依赖关系，探索优化剪切压电性能的技术路线及工艺方法，为剪切压电换能器研发提够材料保证。

以高性能压电器件为应用牵引，本项目针对弛豫铁电单晶剪切性能开展了深入的研究工作，并取得了一定的学术成果，主要表现在以下几点。（1）为获得高质量的准单畴晶体，课题组分析了晶体在极化过程中的应变情况，并设计出了相应的高温极化方法。利用该方法极化晶体，可保证晶体在单畴化的过程中不产生开裂现象，以便更好地开展针对弛豫铁电单晶的学术和应用研究。（2）对三种相结构弛豫铁电单晶的剪切压电性能进行了全面的表征和分析分析。实验结果表明，超高的剪切压电效应（>2000 pC/N）普遍存在于三种铁电相结构（三方相、单斜相以及四方相）的铅基弛豫铁电单晶中，是铅基弛豫铁电单晶的重要特点之一，也是造成铅基弛豫铁电单晶沿非极轴方向产生高纵向压电效应的关键因素。在铁电单晶中，剪切压电效应与极化旋转机制有着密切的联系，即自发极化旋转的自由能路径越‘平坦’则剪切压电效应越强。（3）系统测试了弛豫铁电单晶剪切压电性能与服役场的依赖关系，利用热力学的方法分析了外场对晶体压电性能影响的关键因素。在单轴压应力的实验中，课题组研究发现垂直于自发极化方向单轴压应力可使晶体电畴更为稳定，从而大大提高了晶体的可用电场强度以及剪切压电模式的输出应变。（4）对弛豫铁电单晶的电致伸缩效应进行了系统研究，对三方相、四方相、正交相弛豫铁电单晶PMN-PT的电致伸缩系数进行表征，确定了三种相结构PMN-PT晶体的电致伸缩系数矩阵。本次研究发现：与介电、压电系数不同，弛豫铁电单晶的电致伸缩系数对于铁电相变点非常不敏感，导致其在温度、组分变化时非常稳定。通过对弛豫铁电单晶电致伸缩系数的研究，课题组给出三方相和正交相弛豫铁电单晶的压电性能远高于四方相晶体的原因。