弛豫铁电单晶复参数机电性能及其损耗机理研究

本项目拟结合纯模式超声波透射、反射谱与共振阻抗谱等测试方法，发展适合于测试处于近相界三方相的弛豫型铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅0.70Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.30PbTiO3（PMN-30%PT）复参数形式弹性、压电、介电等宏观机电性能的理论与方法，研究当该体系单晶具有不同几何形状、沿不同方向极化、处于不同极化电场、偏置电场、温度场、机械压力等控制条件下，其机械、电学损耗的起源机理与变化规律。进而利用偏光显微畴结构观测等技术手段，结合畴动力学建模与理论计算，探索该体系单晶机械、电学损耗与畴壁运动及工程畴结构之间关系，找寻控制与稳定晶体畴结构的技术方法，以降低体系损耗，优化其宏观电机性能，为指导应用该体系单晶设计高频医学超声波换能器、高能/宽带水声声纳等电机器件提供数据支撑和理论依据。

弛豫铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）、铌锌酸铅-钛酸铅（PZN-PT）等具有十分优异的压电、铁电、声学和光学性质，其PT组分的变化会引发结构相变，并在准同型相界（MPB）组分表现出最优异的压电和铁电性质，同时也具有十分复杂的铁电电畴结构,弛豫铁电单晶损耗特性（介电损耗 、机械损耗、压电损耗）与铁电电畴畴壁贡献密切相关。.本项目拟结合纯模式超声波透射、反射谱与共振阻抗谱等测试方法，发展适合于测试处于近相界三方相的弛豫型铁电单晶铌镁酸铅-钛酸铅复参数形式弹性、压电、介电等宏观机电性能的理论与方法，研究当该体系单晶具有不同几何形状、沿不同方向极化、处于不同极化电场、偏置电场、温度场、机械压力等控制条件下，其机械、电学损耗的起源机理与变化规律。利用偏光显微畴结构观测结合畴动力学建模与理论计算，探索该体系单晶机械、电学损耗与畴壁运动及工程畴结构之间关系，找寻控制与稳定晶体畴结构的技术方法，以降低体系损耗，优化其宏观电机性能，为指导应用该体系单晶设计高频医学超声波换能器、高能/宽带水声声纳等电机器件提供数据支撑和理论依据。.建立了一套利用阻抗（导纳）谱中五个特征参数研究弛豫铁电单晶复数机电性质的表征方法。研究了 [001]c方向极化的弛豫铁电单晶PMN-0.29PT的复数机电性质，发现与传统压电陶瓷PZT-5H比较而言，PMN-0.29PT单晶具有非常小的介电损耗因子，但是机械损耗因子却与PZT-5H陶瓷相似，表明弛豫铁电单晶PMN-PT是一类机械损耗较高的铁电单晶。.通过对PMN-0.30PT单晶偏光性质的研究发现在电场诱导铁电电畴反转过程中，非180°铁电电畴反转是晶体极化的主要过程，180°铁电电畴反转可以通过两个或者多个非180°铁电电畴的连续反转来实现。通过对晶体复数机电性质的表征，研究了PMN-0.30PT单晶损耗特性与极化电场的依赖关系。发现PMN-0.30PT单晶介电损耗因子随着极化电场强度的增加而减小，而机械损耗因子则随着极化电场强度的增加而增大。在90℃下PMN-0.30PT单晶可以被极化成为四方单畴结构，在单畴状态PMN-0.30PT单晶介电损耗因子和机械损耗因子都变得很小。这表明晶体的介电损耗主要源于非180°和180°铁电电畴畴壁的贡献，而机械损耗特性则主要来源于晶体内部非180°铁电电畴畴壁的贡献。