分享：典型压电材料在液氮低温环境下的压电性能

摘要：压电材料具有显著的压电效应特性,当对其施加机械应力或压力时,其内部会产生电势差,能实现力学性能到电能的转化。反之,若在压电材料上施加电场,其会发生机械变形,能实现电能到力学性能的转换。这种独特的性能使得压电材料在航空航天、电子信息、声学等领域具有广泛的应用价值

压电材料具有显著的压电效应特性,当对其施加机械应力或压力时,其内部会产生电势差,能实现力学性能到电能的转化。反之,若在压电材料上施加电场,其会发生机械变形,能实现电能到力学性能的转换。这种独特的性能使得压电材料在航空航天、电子信息、声学等领域具有广泛的应用价值[1]。随着现代科技的不断进步,对材料性能的要求也在不断提高[2]。在航天测试领域,氢氧火箭发动机的燃料为液氢和液氧,导致发动机相关组件的表面温度显著降低。鉴于这种极端的低温环境,当对发动机的振动和应力波等进行关键测试任务时,压电材料作为传感器中的关键敏感元件,其谐振频率、介电常数、机电耦合系数及介质损耗等性能参数可能会出现显著的变化[3]。在低温条件下,压电材料的性能表现对于确保测试结果的精确性和可靠性具有决定性意义,因此对液氮低温环境下压电材料的性能稳定性研究至关重要[4]。

国内外学者对压电材料相继开展了不同温度下的相关性能测试,GERSON[5]在温度为4~100 K下测试了已极化压电材料的性能,发现该材料在较低温度下仍然具有较明显的压电活性。WANG等[6]对PZT-5H材料的温度依赖性进行了探究,发现随着温度的降低,材料的压电系数逐渐减小。黄滟荻[7]在室温条件下对PMN-PT材料的电学参数进行了研究,并探讨了其在不同温度下的铁电性能,通过分析剩余极化强度、矫顽电场以及电滞回线面积与温度之间的关系,对PMN-PT材料的温度稳定性进行了评估。尹鹤瞳[8]测试了PZT-5H材料在室温及低温条件下的静态电学参数,发现低温环境下PZT-5H材料的电阻率在谐振频率与反谐振频率之间呈现显著的变化趋势,在相同的加载频率下,随着温度的升高,PZT-5H材料的电阻率呈降低趋势。

笔者对压电材料进行阻抗测试,并分析了不同温度下材料的谐振频率、机电耦合系数、介电常数、介质损耗因数等参数,探究了压电材料在室温和液氮温度下的性能差异,研究结果可为压电材料的极端温度应用提供借鉴。

1. 试验方法及试验材料

依据EN 50324–1∶2002《陶瓷材料和元件的压电性能第1部分：术语和定义》及EN 50324–2∶2002《陶瓷材料和元件的压电特性第2部分：测量方法——低功率》,压电材料的基本振动模式主要参考EN 50324–1∶2002,用于激发各种模式。

主要采用电测法测量压电材料的参数,包括动态法、静态法和准静态法等多种方式[9]。其中,动态法是通过施加交流信号激励试样,使其状态处于谐振附近。通过测量试样的特征频率,并进行计算,就可以得到材料的压电性能参数[10]。利用精密阻抗分析仪,测量了试样的电容CT和介质损耗因数tan δ。通过分析试样的频率-阻抗谱,可得到串联谐振电阻R、串联谐振频率fs以及并联谐振频率fp等参数,其他压电性能参数可以根据测试标准计算得出。在液氮温度下进行测试时,先把待测压电材料浸没到盛有液氮的杜瓦罐中15 min,从杜瓦罐取出待测压电材料后,在5 s内完成一组数据测试,超时要重新放入杜瓦罐中冷却3 min以上,然后再取出重新完成测试。

对钛酸钡（BaTiO3）、铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）单晶、锆钛酸铅（PZT255）、锆钛酸铅（PZT251）、钛酸锶钡（BST）5种压电材料分别在室温（298 K）和液氮温度（77 K）下的压电参数进行测量。压电材料主要包括压电单晶体、多晶体压电陶瓷、压电陶瓷复合材料和高分子压电材料及聚合物等。压电陶瓷具有稳定的压电性能,在市场上占据重要地位,成为目前较受欢迎的压电材料之一。软性压电陶瓷对反复的机械载荷非常敏感。硬质材料在重复的机械循环中没发生退化,但在恒定载荷下对延长时间很敏感。硬质PZT组合物在双轴弯曲试验中的力学性能优于软性压电陶瓷。在不同温度下压电陶瓷的性能会有所变化,当其无法再满足预期的应用需求时,可以认为该压电陶瓷已经失效。5种材料出厂压电性能参数如表1所示。

Table 1. 5种材料出厂压电性能参数

2. 试验结果

2.1 压电振子等效电路及谐振频率

利用压电材料的压电效应,可以将其制成具有特定取向和形状的压电器件,并配备电极。当电信号输入时,如果器件的机械谐振频率与信号频率相匹配,逆压电效应将引发器件的机械谐振,而正压电效应则能促使器件的机械谐振产生电信号。这类器件被称为压电振子,通常用于制造谐振换能器件、标准频率振子以及滤波器。压电振子的等效电路如图1所示,该等效电路由电容、电感和电阻的串连支路与电容并联而成,在谐振频率附近可以认为这些参数与频率无关。当施加在压电振子上的电信号频率等于其固有振动频率fr,即电纳为0时,压电振子的弹性最大,并可发生谐振。此外,压电振子还具有串联谐振频率（即最大电导频率）fs、并联谐振频率（即最大阻抗频率）fp、反谐振频率（即电抗为0）fa、最小阻抗频率fm、最大阻抗频率fn等重要临界频率。

图 1 压电振子的等效电路

当系统的应变振幅输出值和振子的电流同时达到最大时,此时的频率被称为最小阻抗频率,也可称为最大导纳频率。若继续提高外加电信号的频率,减小振子输出的电流,当阻抗达到最大值时,对应的频率则被称为最大阻抗频率,也可称为最小导纳频率fn,即当电阻R1为0时,fm=fr=fs=fn=fa=fp。在实际应用中,近似偏差一般小于1%[11],这些参数可以分别用频率对fr和fa来近似,即fm≈fr≈fs,fn≈fa≈fp。

使用精密阻抗分析仪在室温和液氮温度下对BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST进行压电性能参数测试,得到阻抗和频率的关系,阻抗最小时对应的频率点即为谐振频率,阻抗最大时对应的频率点即为反谐振频率,测试结果如表2所示。由表2可知：在室温条件下,BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST试样的谐振频率分别为82.5,171.8,981.2,38.9,103.9 kHz,与表1中材料的出厂压电性能接近,说明测试流程正确。

Table 2. 室温和液氮温度下5种材料的压电性能测试结果

在室温和液氮温度下,5种压电材料试样的阻抗与频率关系如图2所示。由图2可知：温度从室温298 K降到液氮温度77 K后,5种压电材料试样谐振频率都存在不同程度的偏移,频率的相对偏移量从高到低依次为PMN-PT(18.9%)>PZT251(14.7%)>BST(1.7%)>PZT255(1.0%)>BaTiO3(0.2%),其中BaTiO3、PZT255、BST在两种温度下的谐振频率偏移较小,都不超过2%,表现出较好的温度频率稳定性,但BaTiO3的谐振电阻变化（1 108.0 Ω）远远大于BST的谐振电阻变化（245.2 Ω）及PZT255的谐振电阻变化（6.8 Ω）,因此BST及PZT255表现出更好的低温性能稳定性。

图 2 室温和液氮温度下5种压电材料试样的阻抗与频率关系

2.2 机电耦合系数K

机电耦合系数是衡量压电材料性能的关键参数,反映了压电材料在力学性能与电能之间转换的能力[12]。压电材料的K越大,意味着其力学性能与电能之间的相互耦合能力越强。平面机电耦合系数kp描述了机械响应与电场之间的耦合关系,进而产生平面振动。当平面机电耦合系数kp较小时,可以采用式（1）进行近似计算。

5种材料的平面机电耦合系数计算结果如表3所示。由表3可知：PMN-PT具有较大平面机电耦合系数；当温度从室温298 K降到液氮温度77 K后,BST的平面机电耦合系数变化最小,表现出优异的能量交换稳定性。

Table 3. 5种材料的平面机电耦合系数计算结果

2.3 介电常数

介电常数反映了电介质材料的介电性能和极化行为,可用材料两电极之间电介质的电容与真空状态下电容的比值表示,计算方法如式（2）所示。

式中：ε0为真空介电常数,其值为8.854×10−12 F/m；εr为相对介电常数；εT为介电常数；CT为试样的自由电容；t为试样的厚度；A为试样电极面积。对于压电陶瓷,测量CT时要求测量频率远低于最低谐振频率,通常为1 kHz。5种材料的相对介电常数测试结果如表4所示。由表4可知：室温下5种材料的相对介电常数测试结果与出厂参数具有较好的一致性；液氮低温环境下,5种材料的相对介电常数减小幅度不同,电荷储存能力减弱；BST的相对介电常数的低温相对变化最小,说明其在液氮低温环境下具有较优异的介电性能；这5种材料相对介电常数的恢复室温相对变化都未超过10%,说明5种材料的介电性能未出现不可逆的损伤。

Table 4. 5种材料的相对介电常数测试结果

2.4 介质损耗因数tan δ

介质损耗因数为在确定频率的正弦波电压下,电阻功率（介质功率损耗）与无功功率的比值[13]。介质损耗因数反映了压电材料在交变电场作用下能量损失的程度,介质损耗因数越小,表明压电材料的能量转换效率越高。5种材料的介质损耗因数测试结果如表5所示。由表5可知：室温下5种材料的介质损耗测试结果与出厂参数具有较好的一致性；液氮低温环境下,5种材料的介质损耗都存在不同程度的增大,能量转换效率降低,从对比恢复室温后的介质损耗可以看出,这种转变存在不可逆性,表明BaTiO3、BST不适宜大温度区域交替变化的使用工况；PZT251、PMN-PT、PZT255的低温介质损耗相对变化及恢复室温介质损耗相对变化都不超过20%,表现出较优异的介质损耗稳定性。

Table 5. 5种材料的介质损耗因数测试结果