针对第114期东方论坛所讲到的“高温、高功率、宽带宽”铁电压电陶瓷需求，做了一些功课，有了一些学习体会或个人看法。

 

关于高功率：通过研读宾州大学K. Uchino组和日本一些公司在高功率压电陶瓷及变压器的工作，理论和实验研究表明变压器的功率输出对材料参数的依赖有如下关系：P ~ k²εv ², k是机电耦合系数、ε为介电常数、v是振动速度。衡量机电能量转换效率的机电品质因数Q_M与振动速度大小有关。在振动速度较小时，Q_M近似为常数，但经过一临界振动速度后，Q_M急剧减小。通常，高Q_M商用PZT陶瓷最大振动速度是0.3m/s。K. Uchino研究组的工作表明通过合适的元素掺杂改性，振动速度可提升到1m/s水平，实用于高功率压电陶瓷变压器、驱动器等换能器件。虽然此处高功率压电陶瓷的知识主要来源于压电变压器，但应该具有一般意义。

 

关于高温：在高温压电陶瓷发展过程中遇到的最大问题是，随着材料体系居里温度升高，如铋层状铁电材料、LiNbO₃等，不再具有MPB 特征，压电系数也大幅降低。虽然Bi(Me)O₃–PbTiO₃(Me=Sc³⁺，In³⁺，Yb³⁺)等体系Tc > 400^oC，但它们原料昂贵、合成困难，压电性能远低于PZT压电陶瓷，离应用还有相当一段距离。个人认为：发展基于PZT基的新型三元、四元高温压电陶瓷不仅可以发挥PZT压电陶瓷的优异压电性能，且原料便宜、合成容易。根据钙钛矿结构容忍因子关系和居里温度的定量变化规律设计兼具较高居里温度(Tc~300-500^oC)和MPB特征的铁电体是实现可能的商用高温高性能压电陶瓷材料的有效途径。

 

关于宽带宽：从Single-crystal lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) as a broadband high power transduction material (M. B. Moffett, et al., J. Acoust. Soc. Am. 121, 2591 (2007))一文中，我们可以学到：给定k_eff值，存在一个优化品质因数导致最大带宽，BW_max ~ k_eff/(1-k_eff²)^1/2；以共振频率表示的 half-power带宽BW_1/2 = 1/Q_M。在许多教科书中都有“发射换能用材料一般要求机械损耗小tanδ_M或机械品质因数Q_M高，以提高发射效率。有时希望增加带宽，需要Q_M小或tanδ_M大的材料。”这样的表述。这就是说压电陶瓷换能器的带宽是由机械品质因数Q_M这一关键材料参数决定。Q_M的调控是材料体系选择和工艺控制的关键。

 

目前，压电陶瓷换能器的发展对上述关键词的要求在并流，比如石油测井用超声换能器同时要求高温宽带宽，已超出PZT陶瓷的能力范围。对压电陶瓷体系的发展提出了新要求。鉴于本人四年多来在高温磁性铁电新材料方面的理论和实验研究，已积累了一些有用的解决方案，并做了初步实验验证。

 

欢迎有“高温、高功率、宽带宽铁电压电陶瓷”应用需求的科研人员和产业单位来进行深入探讨或/和合作开发研究。

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