壓電材料具有顯著的壓電效應特性,當對其施加機械應力或壓力時,其內部會產生電勢差,能實現力學性能到電能的轉化。反之,若在壓電材料上施加電場,其會發生機械變形,能實現電能到力學性能的轉換。這種獨特的性能使得壓電材料在航空航天、電子信息、聲學等領域具有廣泛的應用價值[1]。隨著現代科技的不斷進步,對材料性能的要求也在不斷提高[2]。在航天測試領域,氫氧火箭發動機的燃料為液氫和液氧,導致發動機相關組件的表面溫度顯著降低。鑒于這種極端的低溫環境,當對發動機的振動和應力波等進行關鍵測試任務時,壓電材料作為傳感器中的關鍵敏感元件,其諧振頻率、介電常數、機電耦合系數及介質損耗等性能參數可能會出現顯著的變化[3]。在低溫條件下,壓電材料的性能表現對于確保測試結果的精確性和可靠性具有決定性意義,因此對液氮低溫環境下壓電材料的性能穩定性研究至關重要[4]。 

國內外學者對壓電材料相繼開展了不同溫度下的相關性能測試,GERSON[5]在溫度為4~100 K下測試了已極化壓電材料的性能,發現該材料在較低溫度下仍然具有較明顯的壓電活性。WANG等[6]對PZT-5H材料的溫度依賴性進行了探究,發現隨著溫度的降低,材料的壓電系數逐漸減小。黃滟荻[7]在室溫條件下對PMN-PT材料的電學參數進行了研究,并探討了其在不同溫度下的鐵電性能,通過分析剩余極化強度、矯頑電場以及電滯回線面積與溫度之間的關系,對PMN-PT材料的溫度穩定性進行了評估。尹鶴瞳[8]測試了PZT-5H材料在室溫及低溫條件下的靜態電學參數,發現低溫環境下PZT-5H材料的電阻率在諧振頻率與反諧振頻率之間呈現顯著的變化趨勢,在相同的加載頻率下,隨著溫度的升高,PZT-5H材料的電阻率呈降低趨勢。 

筆者對壓電材料進行阻抗測試,并分析了不同溫度下材料的諧振頻率、機電耦合系數、介電常數、介質損耗因數等參數,探究了壓電材料在室溫和液氮溫度下的性能差異,研究結果可為壓電材料的極端溫度應用提供借鑒。 

1.   試驗方法及試驗材料

依據EN 50324–1∶2002《陶瓷材料和元件的壓電性能 第1部分：術語和定義》及EN 50324–2∶2002《陶瓷材料和元件的壓電特性 第2部分：測量方法——低功率》,壓電材料的基本振動模式主要參考EN 50324–1∶2002,用于激發各種模式。 

主要采用電測法測量壓電材料的參數,包括動態法、靜態法和準靜態法等多種方式[9]。其中,動態法是通過施加交流信號激勵試樣,使其狀態處于諧振附近。通過測量試樣的特征頻率,并進行計算,就可以得到材料的壓電性能參數[10]。利用精密阻抗分析儀,測量了試樣的電容CT和介質損耗因數tan δ。通過分析試樣的頻率-阻抗譜,可得到串聯諧振電阻R、串聯諧振頻率fs以及并聯諧振頻率fp等參數,其他壓電性能參數可以根據測試標準計算得出。在液氮溫度下進行測試時,先把待測壓電材料浸沒到盛有液氮的杜瓦罐中15 min,從杜瓦罐取出待測壓電材料后,在5 s內完成一組數據測試,超時要重新放入杜瓦罐中冷卻3 min以上,然后再取出重新完成測試。 

對鈦酸鋇（BaTiO3）、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）單晶、鋯鈦酸鉛（PZT255）、鋯鈦酸鉛（PZT251）、鈦酸鍶鋇（BST）5種壓電材料分別在室溫（298 K）和液氮溫度（77 K）下的壓電參數進行測量。壓電材料主要包括壓電單晶體、多晶體壓電陶瓷、壓電陶瓷復合材料和高分子壓電材料及聚合物等。壓電陶瓷具有穩定的壓電性能,在市場上占據重要地位,成為目前較受歡迎的壓電材料之一。軟性壓電陶瓷對反復的機械載荷非常敏感。硬質材料在重復的機械循環中沒發生退化,但在恒定載荷下對延長時間很敏感。硬質PZT組合物在雙軸彎曲試驗中的力學性能優于軟性壓電陶瓷。在不同溫度下壓電陶瓷的性能會有所變化,當其無法再滿足預期的應用需求時,可以認為該壓電陶瓷已經失效。5種材料出廠壓電性能參數如表1所示。 

2.   試驗結果

2.1   壓電振子等效電路及諧振頻率

利用壓電材料的壓電效應,可以將其制成具有特定取向和形狀的壓電器件,并配備電極。當電信號輸入時,如果器件的機械諧振頻率與信號頻率相匹配,逆壓電效應將引發器件的機械諧振,而正壓電效應則能促使器件的機械諧振產生電信號。這類器件被稱為壓電振子,通常用于制造諧振換能器件、標準頻率振子以及濾波器。壓電振子的等效電路如圖1所示,該等效電路由電容、電感和電阻的串連支路與電容并聯而成,在諧振頻率附近可以認為這些參數與頻率無關。當施加在壓電振子上的電信號頻率等于其固有振動頻率fr,即電納為0時,壓電振子的彈性最大,并可發生諧振。此外,壓電振子還具有串聯諧振頻率（即最大電導頻率）fs、并聯諧振頻率（即最大阻抗頻率）fp、反諧振頻率（即電抗為0）fa、最小阻抗頻率fm、最大阻抗頻率fn等重要臨界頻率。 

圖  1  壓電振子的等效電路

當系統的應變振幅輸出值和振子的電流同時達到最大時,此時的頻率被稱為最小阻抗頻率,也可稱為最大導納頻率。若繼續提高外加電信號的頻率,減小振子輸出的電流,當阻抗達到最大值時,對應的頻率則被稱為最大阻抗頻率,也可稱為最小導納頻率fn,即當電阻R1為0時,fm=fr=fs=fn=fa=fp。在實際應用中,近似偏差一般小于1%[11],這些參數可以分別用頻率對fr和fa來近似,即fm≈fr≈fs,fn≈fa≈fp。 

使用精密阻抗分析儀在室溫和液氮溫度下對BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST進行壓電性能參數測試,得到阻抗和頻率的關系,阻抗最小時對應的頻率點即為諧振頻率,阻抗最大時對應的頻率點即為反諧振頻率,測試結果如表2所示。由表2可知：在室溫條件下,BaTiO3、PMN-PT、PZT255、PZT251、BST試樣的諧振頻率分別為82.5,171.8,981.2,38.9,103.9 kHz,與表1中材料的出廠壓電性能接近,說明測試流程正確。 

在室溫和液氮溫度下,5種壓電材料試樣的阻抗與頻率關系如圖2所示。由圖2可知：溫度從室溫298 K降到液氮溫度77 K后,5種壓電材料試樣諧振頻率都存在不同程度的偏移,頻率的相對偏移量從高到低依次為PMN-PT(18.9%)>PZT251(14.7%)>BST(1.7%)>PZT255(1.0%)>BaTiO3(0.2%),其中BaTiO3、PZT255、BST在兩種溫度下的諧振頻率偏移較小,都不超過2%,表現出較好的溫度頻率穩定性,但BaTiO3的諧振電阻變化（1 108.0 Ω）遠遠大于BST的諧振電阻變化（245.2 Ω）及PZT255的諧振電阻變化（6.8 Ω）,因此BST及PZT255表現出更好的低溫性能穩定性。 

圖  2  室溫和液氮溫度下5種壓電材料試樣的阻抗與頻率關系

2.2   機電耦合系數K

機電耦合系數是衡量壓電材料性能的關鍵參數,反映了壓電材料在力學性能與電能之間轉換的能力[12]。壓電材料的K越大,意味著其力學性能與電能之間的相互耦合能力越強。平面機電耦合系數kp描述了機械響應與電場之間的耦合關系,進而產生平面振動。當平面機電耦合系數kp較小時,可以采用式（1）進行近似計算。 

5種材料的平面機電耦合系數計算結果如表3所示。由表3可知：PMN-PT具有較大平面機電耦合系數；當溫度從室溫298 K降到液氮溫度77 K后,BST的平面機電耦合系數變化最小,表現出優異的能量交換穩定性。 

2.3   介電常數

介電常數反映了電介質材料的介電性能和極化行為,可用材料兩電極之間電介質的電容與真空狀態下電容的比值表示,計算方法如式（2）所示。 

式中：ε0為真空介電常數,其值為8.854×10−12 F/m；εr為相對介電常數；εT為介電常數；CT為試樣的自由電容；t為試樣的厚度；A為試樣電極面積。對于壓電陶瓷,測量CT時要求測量頻率遠低于最低諧振頻率,通常為1 kHz。5種材料的相對介電常數測試結果如表4所示。由表4可知：室溫下5種材料的相對介電常數測試結果與出廠參數具有較好的一致性；液氮低溫環境下,5種材料的相對介電常數減小幅度不同,電荷儲存能力減弱；BST的相對介電常數的低溫相對變化最小,說明其在液氮低溫環境下具有較優異的介電性能；這5種材料相對介電常數的恢復室溫相對變化都未超過10%,說明5種材料的介電性能未出現不可逆的損傷。 

2.4   介質損耗因數tan δ

介質損耗因數為在確定頻率的正弦波電壓下,電阻功率（介質功率損耗）與無功功率的比值[13]。介質損耗因數反映了壓電材料在交變電場作用下能量損失的程度,介質損耗因數越小,表明壓電材料的能量轉換效率越高。5種材料的介質損耗因數測試結果如表5所示。由表5可知：室溫下5種材料的介質損耗測試結果與出廠參數具有較好的一致性；液氮低溫環境下,5種材料的介質損耗都存在不同程度的增大,能量轉換效率降低,從對比恢復室溫后的介質損耗可以看出,這種轉變存在不可逆性,表明BaTiO3、BST不適宜大溫度區域交替變化的使用工況；PZT251、PMN-PT、PZT255的低溫介質損耗相對變化及恢復室溫介質損耗相對變化都不超過20%,表現出較優異的介質損耗穩定性。 

3.   結論

（1） 在液氮低溫環境下,壓電材料的諧振電阻及諧振頻率都存在不同程度的增大,BST的變化最小。 

（2） 在液氮低溫環境下,壓電材料的介電常數、平面機電耦合系數均存在不同程度的減小,介質損耗均存在不同程度的增大,BST的變化最小,說明5種壓電材料的能量變換能力都發生了不同程度的減弱。 

（3） 液氮低溫環境會對BaTiO3及BST的介質損耗造成不可逆的影響。

文章來源——材料與測試網