北京信息科技大学 理学院，北京 海淀 100192
为了提升声纳系统的探测性能，该文从扩展水声换能器带宽和提高灵敏度两方面出发，研制了一种“金字塔”结构的宽带高灵敏水声换能器，并选择单金属板空气柱型压电材料作为宽带高灵敏换能器的有源材料。对敏感元件进行机电等效分析和有限元仿真，获得压电材料尺寸的优选范围。根据多模耦合理论设计了“金字塔”型的换能器敏感元件结构。通过建立换能器的制作工艺流程，研制出宽带高灵敏换能器样机。测试结果表明，发送电压响应最高为182.9 dB，发射带宽为170 kHz，接收灵敏度最高达到-173.7 dB，接收带宽为110 kHz，-6 dB波束开角为8.1°。
宽带 高灵敏 机电等效 水声换能器 制备工艺 压电材料 broadband high-sensitivity electromechanical equivalence hydroacoustic transducer preparation process piezoelectric materials
1 南京航空航天大学 航空学院，航空航天结构力学及控制全国重点实验室，江苏 南京 210016
2 南京航空航天大学 航空学院，航空航天结构力学及控制全国重点实验室，江苏 南京 210016南京航空航天大学 航空学院，直升机动力学全国重点实验室，江苏 南京 210016
为了研究任意截面形状的压电半导体纤维的力学特性，提出了基于物理信息的神经网络模型，应用深度学习算法求解复杂的变系数偏微分方程。以变截面压电半导体纤维的静态拉伸为例，构造深度神经网络作为试函数，将其代入控制方程形成残差，并作为机器学习的加权损失函数，进而通过深度机器学习技术逼近数值解。研究结果表明：该方法具有广泛适用性，能够求解任意截面形状压电半导体材料的线性和非线性方程。
压电材料 神经网络 深度学习 电势 半导体结 piezoelectric materials neural networks deep learning electric potential semiconductor junctions
1 上海理工大学 健康科学与工程学院，上海 200093
2 宁波大学 物理科学与技术学院，浙江 宁波 315211
3 山东第一医科大学 附属人民医院超声科，山东 济南 271100
(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)陶瓷作为一类重要的高性能无铅压电材料体系，有望推动医用超声成像换能器技术的无铅化。对KNN陶瓷进行有效掺杂改性研究，采用固相烧结法制备了具有优异压电性能的KNN基压电陶瓷，其压电常数达400 pC/N，机电耦合系数为55%。基于其高压电、低声阻抗的综合性能设计制备了高分辨力、大带宽及高频率的医用超声换能器，其纵向分辨率达47 μm，-6 dB带宽达93%，中心频率为18.0 MHz。利用此换能器对人体组织模型进行B模式超声成像，获得管状组织的高分辨率结构图像。结果表明，KNN体系陶瓷是一种应用于医用高频超声成像中综合性能优异的材料。
无铅压电材料 (K0.5Na0.5)NbO3基陶瓷 超声成像 超声换能器 lead-free piezoelectric material (K0.5Na0.5) NbO3-based ceramics ultrasonic imaging ultrasonic transducer
1 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050
2 中国科学院大学，北京 100864
压电材料是一类极其重要的功能材料，利用其正/逆压电效应可以制成压电传感器、换能器和驱动器等，在航空航天、核能、医疗等领域有广泛应用。在航天、核能等领域，压电材料面临高辐射的严苛服役环境，对压电材料的抗辐射能力提出了更高要求。本文总结了辐射对钙钛矿结构包括锆钛酸铅［Pb(Zr, Ti)O3］、铌酸钾(KNbO3)、钛酸钡(BaTiO3)和以及铋层状结构压电材料如Bi4Ti3O12等的晶体结构和电学性能的影响。研究表明，在高剂量辐射下，压电材料的相结构维持在铁电相，但是晶粒一定程度上会受到破坏，同时压电材料的电学性能普遍随着辐射剂量的增强而减弱，但辐射也可以改善压电材料的抗疲劳性能，理论上辐射可以作为压电材料改性的一种方式。
压电材料 辐射 晶体结构 电学性能 piezoelectric materials radiation crystal structure electrical properties
1 浙江清华长三角研究院 先进陶瓷材料与器件研究中心, 浙江 嘉兴314006
2 国家电网河南电力科学研究院, 河南 郑州 450052
3 国家电网浙江省电力有限公司金华供电公司, 浙江 金华 321001
4 国家电网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院, 内蒙古 呼和浩特 010020
5 先进输电技术国家重点实验室(全球能源互联网研究院有限公司), 北京 102209
6 佛山(华南)新材料研究院, 广东 佛山 528000
随着航空航天、石油化工等领域的快速发展以及可持续发展战略的实施, 高温无铅压电材料的作用愈发重要。该文总结了具有高居里温度点无铅压电材料的研究进展, 主要包括钙钛矿型的BiFeO3基和BiAlO3基陶瓷、铋层状陶瓷、钙钛矿层状结构陶瓷以及铌酸锂、硅酸镓镧和硼酸氧钙稀土等压电单晶。最后总结了目前高温无铅压电材料中存在的问题, 并提出其发展方向。
无铅 高温压电材料 研究进展 lead free high temperature piezoelectric materials research progress
1 1. 上海理工大学 健康科学与工程学院, 上海 200093
2 2. 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
医用高频超声成像技术广泛应用于皮肤、眼睛及血管壁等人体组织的精细结构成像。1-3复合压电材料因具有较高的机电耦合系数而成为高频超声换能器的核心材料。传统的机械切割-填充、等离子蚀刻等1-3复合材料制备方法成本高、效率低, 难以实现工业化制备。本研究提出一种新的基于软模板的高频复合材料制备方法, 在获得高机电耦合系数的同时, 实现高性能1-3复合压电材料的低成本制备。研究采用微米孔径的软模板实现PZT粉的浆料填充, 通过热压烧结获得均匀竖立的PZT陶瓷微柱阵列, 进而制备出PZT/环氧1-3复合材料。对复合材料进行系统的机电性能测试, 并利用不同方法对复合材料的微结构及其均匀性进行表征。结果表明, 软模板法可使压电微柱具有完整的相结构和较高的成分均匀性, 能够实现较高的胚体压缩率, 提高陶瓷微柱的致密度, 同时形成了微柱阵列且微柱直径可控制在70 μm。软模板法有利于在提高复合材料超声频率(30~50 MHz)的同时获得64%的高机电耦合系数, 为医用高频超声成像以及超声生物显微镜等应用提供了一种高效的1-3复合压电材料工业化制备方法。
1-3复合压电材料 软模板法 高频超声换能器 压电陶瓷 1-3 piezoelectric composite soft mold method high frequency ultrasonic piezoelectric ceramics
南京理工大学材料科学与工程学院, 南京 210094
压电材料由于其独特的机电耦合特性而被广泛应用到传感器和制动器等设备中。柔性电子技术是未来智能技术的重要支撑, 然而, 压电材料难以同时兼具柔性和高压电性能, 这限制了压电材料在柔性电子领域的应用。总结了目前可用的柔性压电材料及其设计和制备方法, 随后系统的总结了柔性压电材料在压力传感、能量收集和生物医学等方面的应用, 最后评述了柔性压电材料发展的挑战和前景展望。
压电材料 柔性电子技术 压力传感器 能量收集 piezoelectric materials flexible electronic technology pressure sensors energy harvesting
北京信息科技大学 传感器重点实验室,北京 100192
有机-无机压电材料是一种分子铁电体, 具有柔性、结构灵活、易成膜、全液相合成及环保节能等优点, 可满足新一代薄膜器件及可穿戴设备的需求。该文以三甲基卤代甲基铵(TMXM, X=F, Cl, Br)为有机部分, MnCl2为无机部分, 通过溶液蒸发法制备了具有钙钛矿分子结构的有机-无机压电材料三甲基氯三氯化锰(TMCM-MnCl3), 并对其分子结构组成、压电、热学、声学及铁电性进行表征。结果表明, TMCM-MnCl3的压电常数为106 pC/N, 居里温度为130 ℃, 声阻抗值约为16.5 MRayl, 低于压电陶瓷PZT-4(大于33 MRayl), 具有广阔的应用前景。
压电材料 铁电体 钙钛矿 声阻抗 piezoelectric materials ferroelectrics perovskite acoustic impedance
1 厦门工学院 机械科学与电气工程学院， 福建 厦门 361021
2 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室， 西安 710049
3 厦门工学院 柔性制造装备集成福建省高校重点实验室， 福建 厦门 361021
基于无铅压电陶瓷的高性能器件的应用日益广泛。铋基材料具有一定的综合性能，尤其在高温压电领域，是一种有潜力替代锆钛酸铅(PZT)基材料的候选体系。文章综述了与如何调控无铅压电材料性能这一关键问题相关的国内外研究进展，对调节相界、掺杂、调控制备工艺和畴工程等多方面进行了阐述，并尝试分析了无铅压电体系在实用化道路上存在的亟待解决的问题。
无铅压电材料 铁酸铋钛酸钡 高温压电陶瓷 性能调控 掺杂 畴工程 leadfree piezoelectric materials Bismuth ferrite barium titanate high temperature piezoelectric ceramics performance modification doping domain engineering
上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室,上海 200240
超声谐振谱(RUS)是一种压电材料单样品定征技术, 避免了多样品造成的结果不自洽问题。现有的谐振谱激励方法常使用超声换能器定点激励-拾取, 需要有复杂的测试装置。该文提出了一种电极激励-拾取法来获取压电谐振器的超声谐振谱, 该方法测试装置简单, 同时还可获得模态振型的对称特性, 避免了反演过程中峰丢失和错峰拟合。基于现场可编程门阵列(FPGA)技术搭建了压电谐振器分组扫频激励电路, 通过电荷放大器拾取谐振峰。结果表明, 通过Levenberg-Marquardt算法可完成测试频谱和计算频谱的匹配, 成功获得了优化后压电材料参数。
超声谐振谱(RUS) 压电材料 定征 电极激励 Levenberg-Marquardt算法 resonant ultrasonic spectroscopy(RUS) piezoelectric material characterization electrode excitation Levenberg-Marquardt algorithm
