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声波在晶体和陶瓷中的声传播特性研究

作　者: 张婷婷
导　师: 刘晓宙
学　校: 南京大学
专　业: 声学
关键词: 钽酸锂 PMN-PT 慢度曲面 PIN-PMN-PT 等效弹性常数二次谐波陶瓷 PZT NBT BZT 相变
分类号: O422
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技以及工业的发展,人们对于材料特性的要求越来越高,对材料环保的要求也越来越高,已不满足于单一组份材料的固有特性。由于多组分晶体能综合各组分材料的优势,且由于各组分材料的融合能获得一些新的特性,所以得到了大量的研究。本文研究了关于单组分晶体、多组分晶体以及陶瓷的声传播特性。研究这些晶体以及陶瓷的物理特性并指导相应的设计是具有非常广阔的应用前景的领域。本文通过研究弹性波在PMN-PT晶体中传播的慢度曲面的方法来研究不同PT含量的PMN-PT晶体纯模方式的变化规律。PT含量的不同会导致PMN-PT晶体结构的不同,随着PT含量的增大,PMN-PT晶体会由铁电三方相转变成四方相,并存在一个准同型相界。本文针对在PT含量分别为0.30、0.33和0.42的情况下,对弹性波在晶体中传播时不同平面内的慢度曲面分别作了详细的分析,对其纯模方式进行了归纳总结,发现它们在空间中传播时横波、纵波速度的不同和各向异性的不同。分析结果表明处于准同型相界附近的PMN-PT晶体各向异性特点明显,纯模轴数量明显增多,弹性波在其中传播时速度变化较大。本文也研究了声波在晶体中的相互作用,给出两个横波和两个纵波在晶体中传播时的解析解,并通过求在不同工作坐标系下的等效二阶三阶弹性常数来说明不同晶系(三方、四方、立方和六方晶体)在不同坐标系下的声波相互作用。已有文献对铌酸锂晶体的线性特性进行了研究,发现了其在75℃时异常的声速(声衰减)变化,还对其非线性进行了深入的研究。但还没有报道对钽酸锂晶体的非线性声学特性进行研究,本文测量了钽酸锂晶体的声学参量随温度的变化,并对结果进行了分析,利用二次谐波产生技术来说明声波在钽酸锂中非线性的变化。深入探讨了声波在钽酸锂晶体中传播速度,基波幅度,二次谐波幅度随温度的变化,并由此得到钽酸锂的非线性与晶体结构的关系。同时用二次谐波产生技术比较了[001]极化与[111]极化的PIN-PMN-PT晶体在0～110℃范围内声速、声衰减、一次二次谐波以及非线性系数的变化。[001]极化的PIN-PMN-PT晶体的声学特性基本是单调变化,而[111]极化的PIN-PMN-PT晶体的声学特性是有拐点,呈波动形态,与[001]极化的晶体完全不同。我们也对极化前和极化后的锆钛酸铅陶瓷(PZT)的高阶非线性现象进行了研究。根据实验,发现在极化前的PZT陶瓷三次谐波幅度比二次谐波幅度小,而极化后,三次谐波幅度大幅增加,反而要比二次谐波幅度高。观察到在极化的陶瓷中非线性特性与时间的明显依赖关系,非线性特性随着时间的增长而逐渐减小,大约两天之后饱和,停止下降。这些事实证实了在极化中有微裂纹的产生。同时,对NBT以及BZT系列的陶瓷的相变温度与声速突变温度之间的关系进行了研究。NBT相变温度较高,而根据实验在100℃范围内,声速呈下降趋势,但是变化幅度很小,可以认为几乎没有变化。BZT-7和BZT-15陶瓷的声速随温度变化关系则截然不同。在70℃附近,BZT-7的声速发生显著变化,变化幅度达12.5%,这与BZT-7的相变温度在70℃的事实相吻合。在60℃附近,BZT-15陶瓷的声速也有显著改变,比BZT-7更为明显,变化幅度达34.6%,这与BZT-15的相变温度在58℃数据也是相吻合的。这些数据表明可以通过测量陶瓷声速随温度的变化来测得陶瓷的相变温度。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
目录  8-10
第一章不同PT含量PMN-PT晶体纯模轴研究  10-17
  1.1 引言  10
  1.2 PMN-PT晶体的纯模方式  10-15
    1.2.1 慢度曲面表示的弹性波传播的相速度  11
    1.2.2 慢度曲面表示的弹性波的能量速度  11-12
    1.2.3 对PMN-PT晶体的传播速度及纯模方式的具体分析  12-15
  1.3 结论  15-16
  1.4 参考文献  16-17
第二章声波在晶体中的相互作用  17-36
  2.1 引言  17
  2.2 理论  17-25
    2.2.1 求解过程  18-22
    2.2.2 针对所有晶系  22-25
  2.3 结论  25-35
    2.3.1 立方晶体  25-27
    2.3.2 三方晶体  27-30
    2.3.3 四方晶体  30-33
    2.3.4 六方晶体  33-35
  2.4 参考文献  35-36
第三章钽酸锂及PIN-PMN-PT晶体声学特性研究  36-57
  3.1 引言  36-37
  3.2 实验方法  37-39
    3.2.1 换能器灵敏度校正  37-38
    3.2.2 实验系统  38-39
  3.3 实验结果  39-53
    3.3.1 铝块实验结果  39-42
    3.3.2 钽酸锂实验结果  42-44
    3.3.3 PIN-PMN-PT实验结果  44-53
  3.4 结论  53-54
  3.5 参考文献  54-57
第四章陶瓷相变与非线性效应  57-69
  4.1 引言  57-59
  4.2 PZT中极化导致的高阶非线性变化  59-63
    4.2.1 实验系统  59-60
    4.2.2 实验结果  60-62
    4.2.3 分析和结论  62-63
  4.3 NBT与BZT陶瓷相变与声速的关系  63-67
    4.3.1 实验系统  63
    4.3.2 实验结果  63-67
    4.3.3 分析和结论  67
  4.4 参考文献  67-69
第五章总结与展望  69-72
作者研宄生阶段发表的论文  72-73
致谢  73-74

声波在晶体和陶瓷中的声传播特性研究

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