鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲傳輸特性研究.pdf

1、聲帶隙材料（聲子晶體）是密度/彈性常數(shù)呈空間周期性分布的人工復(fù)合材料。由于聲波在周期性結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí)的散射、干涉，使某些特定頻率的彈性波/聲波無法傳播，形成聲子帶隙?；谶@一特性，可以控制聲子晶體內(nèi)的聲波傳播，實(shí)現(xiàn)聲濾波、聲波導(dǎo)和隔振降噪等功能。與傳統(tǒng)彈性帶隙材料不同，新型壓電單晶，如 PMN-PT和PZN-PT，不僅具有優(yōu)異的壓電性和機(jī)電耦合性，而且具有顯著的各向異性和巨應(yīng)變效應(yīng)，因此包含壓電單晶的聲帶隙材料具有更廣泛的工程應(yīng)用前景。本

2、論文提出了基于PMN-PT基壓電單晶/聚合物的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究了水平剪切波和縱波在該結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳輸特性，主要完成如下工作：
　　本文采用全局矩陣方法研究了PMN-PT單晶/聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)中剪切波的傳輸特性，分析了晶體壓電效應(yīng)、極化方向和PT組分對剪切波傳輸特性的影響。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，晶體壓電效應(yīng)能夠顯著影響復(fù)合結(jié)構(gòu)中的聲波傳輸。當(dāng)PMN-0.28PT單晶沿[011]c和[111]c方向極化時(shí)，壓電效應(yīng)導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)的帶隙寬度增大，

3、而在基于[001]c極化的單晶復(fù)合結(jié)構(gòu)中，壓電效應(yīng)對剪切波的傳輸特性影響幾乎可以忽略。這一差異源自于單晶不同極化方向的彈性增強(qiáng)效應(yīng)的差別。而且，隨著單晶填充比的增大，壓電效應(yīng)對帶隙寬度的擴(kuò)展作用增強(qiáng)。此外，帶隙寬度與單晶的極化方向有關(guān)。當(dāng)單晶的填充比大于0.5時(shí)，含[111]c方向極化單晶的復(fù)合結(jié)構(gòu)具有最大的帶隙寬度。另外，研究發(fā)現(xiàn)，PT組分對同一極化方向的單晶復(fù)合結(jié)構(gòu)中剪切波的傳輸特性影響很小。
　　采用傳輸矩陣法，研究了含0.

4、2 mol％鐵摻雜PMN-0.38PT壓電單晶缺陷層的復(fù)合結(jié)構(gòu)中縱波傳播特性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單晶缺陷層的厚度在其半波長附近時(shí)，禁帶內(nèi)會(huì)出現(xiàn)透射率為100%的窄透過帶。由于壓電單晶在外加低電場作用下可產(chǎn)生大應(yīng)變，所以該窄透過帶的頻率位置可調(diào)。計(jì)算結(jié)果表明：隨著缺陷層應(yīng)變的增加，窄透過帶向低頻遷移，并保持帶寬不變。更重要的是，在1.2 kV/mm的外加低電場下，0.2 mol%鐵摻雜PMN-0.38PT可產(chǎn)生0.8%巨大應(yīng)變，含此單晶缺陷層的

5、復(fù)合結(jié)構(gòu)的透射帶可調(diào)范圍高達(dá)7.4 kHz。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，隨著缺陷層兩端周期性媒質(zhì)聲阻抗比值增大，透射帶帶寬減小。
　　在含壓電單晶的聲帶隙材料中，單晶的溫度穩(wěn)定性直接關(guān)系到用該材料制作的器件的品質(zhì)。為獲得具有高帶隙穩(wěn)定性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，本文計(jì)算了Mn摻雜對剪切波在PIN-PMN-PT單晶復(fù)合結(jié)構(gòu)中傳輸特性的影響。結(jié)果表明，由于Mn的引入，剪切波的傳播特性呈現(xiàn)出頻率及極化方向相關(guān)性。低頻情況下，Mn摻雜對[001]c和[011]c方向

6、極化的復(fù)合結(jié)構(gòu)中剪切波傳輸特性的影響可以忽略，但導(dǎo)致[111]c方向極化復(fù)合結(jié)構(gòu)的第一禁帶寬度降低12%。隨著頻率的增加，三個(gè)極化方向的禁帶寬度均呈現(xiàn)降低趨勢，Mn摻雜對[011]c和[111]c極化方向的單晶復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切波傳輸特性影響大于[001]c的影響。此外本文從實(shí)驗(yàn)上研究了Mn摻雜對晶體性能參數(shù)溫度特性的影響。研究表明，雖然Mn摻雜降低了晶體的壓電性和介電性，但顯著提高了單晶壓電、機(jī)電耦合和機(jī)械品質(zhì)等參數(shù)的溫度穩(wěn)定性，使單晶的溫