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以Pb(In1/2Nbm)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(缩写为PIN-PMN-PT,PIMNT)为代表的弛豫铁电单晶因其在准同型相界(Morphotropic Phase Boundary,MPB)附近三方相区域优异的压电性能,引起了广泛的研究兴趣,有望成为新一代超声换能器、驱动器、传感器、变压器用压电材料。为进一步促进与推动PIMNT单晶的实际应用,本论文围绕准同型相界附近三方相区域PIMNT单晶,研究了其组成、结构与宏观性能间的内在关系,并展开新型单晶复合材料无损探伤用横波超声换能器的研究工作。本论文的主要研究内容及结果如下:
沿[011]方向极化的三方相区域PIMNT单晶,在[100]方向表现出极优异的横向伸缩性能,结合超声法和谐振法,首次表征了沿[011]方向极化的宏观呈现正交相PIMNT单晶的整套晶体参数,使用六种切型为x[110]/y[001]/z[1-10]的样品,测得横向伸缩模式压电系数d32和机电耦合系数k32分别高达-2073pC/N和94％,切向模式压电性能也达到超高的d15～2526 pC/N和k15-91%,其优异的横向和切向性能优于PMNT单晶,并且更高的居里温度扩大了其应用范围,为新结构器件设计提供了方便。
为解决PIMNT单晶在水声、医用超声等换能器中应用中存在的声阻抗比较大、介电常数比较高等问题,采用切割填充方法制备和表征了PIMNT单晶/Epoxy1-3压电复合材料,对单晶材料进行了有效的改性,把厚度伸缩模式的机电耦合系数Kt提高到83%,复合后的声阻抗和介电常数明显降低,更有利于进行声学匹配。采用PIMNT单晶制备了性能明显优于商业化的国外横波超声探头的横波斜探头用于无损探伤。