Page 106 - 无损检测2022年第一期
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周同彪, 等:

   偏铌酸铅压电陶瓷及其超声无损检测应用

   基础上又加入了 Mn 来取代 B 位, 双位点的掺杂                        所以用其制作换能器可得到较高的信噪比, 且较高
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   会提高材料的压电相结构稳定性和热稳定性。试验                            的压电各向异性有助于提高采集图像的分辨率和灵
   表明, A 位 Ca 和 B 位 Mn 共掺杂完全抑制了顺                     敏度。借此特点可制作高频超声换能器, 将其应用于
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   电相的转变, 材料原本在退火温度约为 200 ℃ 时出                       医学 超 声 诊 断 和 工 业 超 声 无 损 检 测 领 域。 YUAN
   现的压电性能骤降现象消失, 不仅提高了压电性能                           等  [ 20 ] 研究的掺杂 W 元素的偏铌酸铅具有较低的介

   的上限, 同时扩大了使用的温度范围。                                电损耗和较高的压电弹性常数( d 33=108p C / N ) 和
       A , B 位共取代可为获得稳定的、 制备完好的偏                     较高居里温度( 448 ℃ )。改性过的偏铌酸铅陶瓷介

   铌酸铅高温陶瓷材料提供参考。双位点掺杂的陶瓷                            电常数低, 可用于分辨率较高的场合。利用改性过
   材料具有更好的稳定性和压电性能, 这主要是因为                           的偏铌酸铅陶瓷制作的高频换能器脉冲波形好、 频
   元素可在 TTB 晶格中占据不同 A 位和 B 位位置,                      率特性曲线光滑且杂波较少。该类改性后的偏铌酸
   提高了陶瓷的烧结行为和极化效率。研究表明, A ,                         铅压电陶瓷在高温高频压电换能器的应用中具有很
                                        系压电陶         大的潜力。
   B 位的双位点掺杂有助于提高 PbNb 2O 6
   瓷的压电性能和工艺稳定性, 且能获得居里温度较                           3.3  声波测井压电接收换能器
   高的改性陶瓷材料, 可满足高温环境的应用要求。                              声波测井技术是勘探石油和天然气的重要手
                                                     段, 而压电换能器是声波测井装置的重要元件。典
  3  压电陶瓷材料在超声换能器中的应用
                                                     型压电接收换能器有以下 3 种             [ 21 ] : 矩形叠片接收换
   3.1  高温测量超声波探针                                    能器; 圆形叠片接收换能器; 圆柱形压电接收换能
      压电换能器是超声无损检测探头的主要元件,                           器。矩形叠片接收换能器因其结构简单, 性能稳定,
   而压电材料的性能决定了换能器的性能。换能器是                            是声波测井中常用的换能器结构。为兼顾接收灵敏
   实现电信号和声信号之间相互转换的元件。在无损                            度, 所设计的换能器矩形面积较大, 适合于大尺寸的
   检测过程中, 其既需要向检测物体发射超声波, 同时                         常规正交偶极子声波测井设备。这给制作大尺寸压
   也需要接收物体反射的超声波, 这就要求换能器中                           电陶瓷材料带来一定的挑战; 同时声测井压电接收
   的压电陶瓷材料具有很高的压电弹性常数、 机电耦                           换能器需要具备较高的灵敏度和较宽的频带, 对压
   合系数以及压电电压常数。此外, 在高温无损检测                           电材料的电学性能提出了严格的要求                  [ 22 ] 。
   领域仍需要考虑压电材料的居里温度及温漂问题,                                 李玉臣等改进了传统的压电陶瓷制备工艺, 制
   保证压电材料在高温环境下的温度稳定性。偏铌酸                            备了可用于声波测井系统多极子的压电陶瓷材料。
   铅具有高居里温度和较高的压电各向异性, 这使得                           该材料的介电常数约为 280 , 损耗低至 0.68% , 居里


   其在高温换能器领域有很大的应用前景。                                温度为489℃ , 压电常数达92p C / N , 机电耦合系数
       REHMAN 等     [ 19 ] 研制了用 于 浸 入 式 高 温 测 量      为 0.40 。所制备的压电材料具有谐振频率单一, 接
   的超声波探针。该探头由压电传感器和缓冲 棒组                            收信号幅度宽, 稳定性好, 灵敏度较高等特点, 同时
   成, 在脉冲回波模式下工作。陶瓷的居里温度约为                           其烧结性能也得到改善, 使大尺寸烧结成为可能。

   540 ℃ , 背衬由固体聚酰胺制成, 采用高温环氧树脂                      改进的偏铌酸铅系压电陶瓷完全满足新一代声波测
   来黏合二者。探针的工作温度可高达 215 ℃ , 且不                       井系统多极阵列多极子接收换能器的使用要求。

   需要散热。采用由钢芯和不锈钢组成的复合缓冲棒                            3.4  高温超声成像压电换能器
   作为延迟线, 削弱了脉冲回波模式下的杂散信号, 获                            在地质开采或空间探索等领域, 钻探岩石或地
   得了较高的信噪比。为达到成像目的, 包覆缓冲棒                           表往往面临着高温挑战。比如, 在对较深的油气田、

   的一端连接压电传感器, 另一端被加工成半球形, 可                         地热井进行钻探时, 环境温度往往高于300℃ , 普通
   实现超声波的聚焦, 提高空间分辨率。该探针的工作                          PZT ( 锆钛酸铅压电陶瓷) 在此温度下难以工作。油

   频率为5MHz 。当探针在高温下完全浸入硅油中时,                         井探测中最常用的是厚度方向伸缩模式的压电换能
   使用机械光栅扫描和测量可以观察到产生的超声波                            器, 相比于 PZT , PbNb 2O 6   陶瓷厚度方向的机械耦
   图像。                                               合系数较大, 厚度方向的振动是其主要振动模式, 且
   3.2  高温高频超声波换能器                                   其具有优异的耐高温性, 有望用于高温环境下的井壁
      由于偏铌酸铅陶瓷具有较高的压电各向异性,                           超声成像领域。杨秀攀等基于井下高温的环境, 利用
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          2022 年 第 44 卷 第 1 期


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