[发明专利]一种各向异性压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种各向异性压电材料及其制备方法，更确切地说，涉及的是一种制作高灵敏度和高分辨力水听器的系压电材料及其制备方法，属于传感器领域。

背景技术

材料学是水声换能器和各种声学功能器件的技术基础。随着新的高性能有源或无源声响材料和新机理的不断发现和利用，大大推动了水声换能器和声学功能器件的发展，加快了这些器件的更新换代，出现了新的换能器和功能器件。近年来，随着隐身技术的发展，水下目标的识别越来越困难，研制高灵敏和高分辨力的接收型换能器变得越来越紧迫和重要。

水下接收型换能器，通常也叫水听器，一般采用的是等静压工作模式，其灵敏度与等静压压电电常数gh和厚度t成正比。因此，水听器的灵敏度一方面取决于等静压压力产生的电压，这一电压的大小一般与等静压压电电常数gh成正比，即高gh可以带来高的灵敏度，因此，gh是衡量水听器换能材料优劣的一个重要常数。通常是由g_h＝d_h/ε₃₃^T＝(d₃₁+d₃₃)/ε₃₃^T计算得出；另外一方面水听器的灵敏度还取决于厚度，即要求在制作工艺许可的条件下尽量加大厚度。

对于目前最常用的水听器材料即压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)来说，d₃₃和d₃₁绝对值较大，但是d₃₃和2d₃₁的值非常接近，而且符号相反，加上介电常数ε₃₃^T较高，这使得等静压压电电常数gh非常低，一般为2～3×10^-3V·m/N。这就直接导致水听器优值因子d_h·g_h也较低，一般为100×10^-15m²/N。

当压电材料变现出高各向异性时，即极化方向的压电常数d₃₃远大于非极化方向的压电常数d₃₁，才能增大等静压压电应变常数d_h；如压电陶瓷钛酸铅PT就具有较好的各向异性，其d₃₃远远高于d₃₁，其等静压压电电常数g_h达到26×10^-3Vm/N，远远大于g_h只有2×10^-3V·m/N的PZT-5压电陶瓷材料，因此，对于制作高灵敏度的水听器非常有利。然而钛酸铅材料的烧制却极其困难，而且高极化电场工艺(施加的电场强度通常大于5000V/mm)也带来了苛刻的要求，使得极化成功率大大降低。此外偏铌酸铅PbNb₂O₅压电材料也具有较好的各向异性，等静压压电电常数g_h达到33.5×10^-3V·m/N，但是偏铌酸铅材料的制作特别困难，烧制和极化工艺要求都很苛刻，目前能提供制作大尺寸的偏铌酸铅材料的厂家极其得少，价格自然也不便宜。因此，急需研制出高各向异性和制作容易的新型压电材料。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种制作容易的各向异性压电材料，即极化方向的压电常数d₃₃远大于非极化方向的压电常数d₃₁，从而增大等静压压电应变常数d_h，使得其等静压压电灵敏度g_h远高于常规的锆钛酸铅压电陶瓷材料，能胜任高灵敏度和高分辨率的水听器要求，同时提供其制备方法。

本发明的技术方案如下：