摘要：作為重要的無損檢測器件，壓電超聲換能器已廣泛應用于國民經濟的各個領域。隨著現代工業技術特別是航空航天、核電能源和智能制造等工業技術的發展，各類工礦環境對壓電換能器的性能提出了更高的要求，迫切期望壓電換能器能在寬溫域范圍內穩定地監測設備的運轉狀況，提前預警，避免重要設備的結構性損壞。寬溫域響應的壓電超聲換能器是目前壓電器件技術領域的前沿性研究內容，該文重點介紹了能夠工作在寬溫域范圍內的壓電超聲換能器及其結構，闡述了壓電超聲換能器在無損探傷方面的獨特優勢。

0引言

近年來，隨著石油化工、核電能源和工業制造等領域的快速發展，對于高溫部件的無損檢測需求呈現明顯的上升趨勢。面對各類工礦環境應用需求，人們迫切期望找到先進的無損探傷及檢測技術方案，提前預警，避免因高溫部件的破壞而帶來不必要的經濟損失。

寬溫域應用的壓電超聲換能器是目前無損檢測較理想的選擇。壓電超聲換能器的研究與電子技術、自動控制技術、計算機技術及新材料等學科發展密切相關。壓電超聲換能器的結構主要由匹配層、壓電層及背襯層組成。其中壓電材料的選擇決定了該換能器的工作特性及對換能器工作溫度范圍產生的重要影響。換能器基于壓電效應這一基本原理，實現電能和聲能的相互轉換，廣泛應用于無損檢測領域。自1880年居里兄弟在石英晶體上首次發現壓電效應以來，壓電材料及其器件的研究和發展極為迅速。1942年，壓電性能優異的BaTiO3壓電陶瓷問世，其壓電系數是石英晶體的60倍。此后，研究者們發現Pb（Zr，Ti）O3陶瓷也擁有出色的壓電性能，隨后各種壓電單晶、弛豫型壓電材料、有機物壓電材料及各種復合壓電材料相繼出現。

近年來，研究人員通過選取性能優異的壓電材料，不斷優化換能器內部結構設計，研制了各種寬溫域響應的高靈敏度壓電換能器，這些換能器在外加信號的激勵下，利用壓電材料的不同振動模態（伸縮振動或剪切振動）在一定距離范圍內發射、接收特定模式的超聲波（橫波、縱波、SH0波、蘭姆（Lamb）波等）。在不損壞工件或原材料工作狀態的前提下，利用超聲波響應信號的差異對負載設備的表面和內部質量（裂紋、腐蝕等結構缺陷）進行診斷，可有效避免因這些缺陷導致的嚴重經濟損失和設備損壞。目前，已有眾多科研工作者通過選取不同性能的壓電材料研制出各類壓電超聲換能器，其服役溫度范圍不斷拓寬，極大拓展了壓電超聲換能器的工礦應用。本文將對寬溫域響應的壓電換能器的設計要點及目前開發的幾類壓電換能器進行介紹。

1壓電超聲換能器的設計要點

對于無損檢測用壓電超聲換能器，其核心壓電材料的選擇尤為重要。壓電材料既可以將電信號轉換成聲信號（發射型換能器），向待檢測物體發射超聲檢測波，也能接收從被檢測物體反射回的聲信號并轉換成電信號（接收型換能器），所以壓電材料通常要求具有較高的壓電常數、機電耦合系數及電阻率（降低聲損耗），這是制備高性能壓電換能器的前提；此外，對于工作在寬溫域范圍內的壓電換能器，壓電材料的選擇還需要充分考慮其壓電性能的溫度穩定性，保證壓電常數、機電耦合系數等電學參量隨溫度變化較小。同時滿足上述性能要求的壓電材料是設計寬溫域應用的壓電換能器的理想選擇。

通常，待檢測負載與壓電層的聲阻抗均存在一定程度上的失配，因此，選擇合適聲阻抗值的匹配層在換能器設計方面起到了重要作用。

1）匹配層的選材。常溫下，按一定比例均勻混合環氧樹脂和金屬粉末，可以通過調節該混合物中環氧樹脂和金屬粉末的比例來獲得所需聲阻抗，以達到聲阻抗匹配效果。

2）工作在寬溫域范圍內的換能器。通常可以選擇高純氧化鋁等材料來設計匹配層，它既能夠提供良好的聲耦合，又能夠對壓電層起到一定的保護作用。

3）匹配層的厚度。匹配層的厚度對器件性能也有影響，通常其厚度多選擇為1/4聲波波長，且滿足聲阻抗匹配條件Zm=（Z1 × Zt）1/2（其中，Zm為匹配層的聲阻抗值，Z1、Zt分別為負載和壓電層的聲阻抗）。

背襯層是壓電振子后方的一個襯墊層，它同樣會對換能器的無損檢測性能產生一定的影響，想要得到寬頻帶、窄脈沖、高檢測靈敏度的壓電換能器，合適阻抗值的背襯層必不可少。在外加信號激勵下，壓電振子會向前、后兩個方向同時輻射聲波，通常我們需要的只是來自前方的回波信號，因此，要盡可能地減少來自后方反射波的干擾，此時背襯層就像無限大的吸聲介質，令向后輻射的聲波能夠幾乎全部消耗在背襯層中，所以背襯層多選擇聲衰減系數大的材料，提高檢測分辨率。常溫條件下，選擇環氧樹脂與金屬粉末的混合物作為聲吸收體，如鎢、鐵、銅等與環氧樹脂混合可得到具有高阻抗值的聲吸收體，采用木屑、玻璃、軟木等與環氧樹脂混合也可得到性能優異的背襯材料；在高溫應用時，具有一定孔隙率的氧化鋯陶瓷也是一種不錯的聲吸收體。

最后，對于工作在寬溫域環境下的壓電換能器，隨外界工作溫度不斷升高，其內部鍵合結構之間會由于熱膨脹的差異，產生應力損壞，從而造成壓電換能器檢測靈敏度下降，因此，在壓電換能器不同部分選材方面，應盡可能選擇熱膨脹系數相匹配的結構材料。

2幾種有代表性的壓電換能器

2.1石英晶體基壓電換能器

石英晶體是最早獲得應用的壓電晶體材料，其主要化學成分為α-SiO2。石英晶體屬于32點群，其物理化學性能穩定，而且室溫下具有較高的電阻率（＞1017Ω·ｃｍ），此外石英晶體還具有機械品質因數高，機械損耗和介電損耗極低的特性。1916年，朗之萬選取石英晶體為壓電材料，制作了超聲換能器應用于水下聲波發射和聲回波接收，成功探測到海底的潛艇行蹤。石英晶體雖然具有高熔點（約1750℃），但在573℃左右時會有α-β相變產生，對其器件的應用產生影響。當溫度達到350℃時，晶體中會有孿晶產生。這些因素都不利于石英晶體制備的壓電器件在寬溫域范圍內應用。由此可知，用石英晶體研制的各種壓電換能器通常工作在不高于350℃的環境中。

2.2鋯鈦酸鉛基壓電換能器

鋯鈦酸鉛（PbZrO3-PbTiO3，PZT）壓電陶瓷作為傳統的壓電材料，具有遠高于石英晶體的壓電常數和機電耦合系數，壓電常數d15可達740 pC/N，機電耦合系數ｋ15＝68％。苗鴻臣等基于PZT優異的壓電性能，采用標準的壓電換能器連接技術，研制了厚度剪切式壓電換能器。該壓電換能器的中心頻率約為210 kHz，且具有較高的檢測靈敏度，能夠有效產生和接收單模態SH0波，適用于大范圍、長距離的工業設備健康監測。

有研究采用PZT的ｘ向壓電環片作為換能器的壓電層，且在ｘ向環片傳統的厚度剪切振動模式基礎上進行了改進，提出了一種新型的厚度剪切振動模式。傳統厚度剪切模式如圖1（ａ）所示，壓電片沿長度（L）方向（“3”方向）在面內極化，外界電場沿厚度（t）方向（“1”方向）施加；新型厚度剪切模式如圖1（ｂ）所示，壓電片沿t方向（“3”方向）在面內極化，外界電場沿L方向（“1”方向）施加，壓電環片在新的厚度剪切振動模式下，能夠激發產生更穩定的檢測信號。在上述改進的厚度剪切振動模式基礎上，研究人員提出了一種壓電圓環模型，圓環被分成12個扇區，每個扇區沿厚度方向極化，為了滿足施加電場時電位的要求，相鄰扇區極化方向相反，電場沿圓環周向施加，簡易模型結構如圖2所示。然后通過標準的壓電換能器連接技術，將下述部件封裝形成換能器實體。圖中，W為寬度。

圖2 壓電圓環模型結構示意圖

除上述厚度剪切型換能器外，對于PZT壓電晶體的厚度伸縮振動模式也進行了大量研究，制備了基于厚度伸縮模式的高靈敏度壓電換能器，其內部結構如圖3（ａ）所示，前端匹配層采用合適厚度的Al2O3，以用來減小負載與壓電材料間聲阻抗失配度，并保護壓電材料免受外界的損壞；背襯層多采用環氧樹脂與金屬粉末的混合物，將一定比例的環氧樹脂與鎢粉混合，經室溫固化，得到高阻抗背襯層，起到吸收多余反射聲波的作用；不同部分之間通過環氧樹脂進行粘結，最后封裝在不銹鋼外殼內，不銹鋼外殼可以減少測試過程中周圍電磁波的電噪聲干擾，最終得到標準的壓電換能器（見圖3（ｂ））。

圖3 壓電換能器內部結構及標準壓電換能器

由于PZT材料在使用過程中，其壓電性能在稍高溫度下會發生老化而迅速退化，所以其使用溫度遠低于居里點TC（為160 ～350℃），這也就限制了PZT材料在更高溫度環境下的應用，因此，PZT型壓電換能器只能在低于160℃的環境下工作。

2.3鈮酸鋰晶體基壓電換能器

鈮酸鋰（LiNbO3，LN）晶體是一種多功能晶體材料，屬于3 m點群，壓電性能優異，d15 = 75 pC/N，d33 = 21 PC/N。LN晶體用提拉法生長，是目前開發和應用較多的壓電晶體之一。該晶體居里溫度高（約1150℃），雖然晶體有較高的居里溫度，但當環境溫度達到600 ℃時，晶體會發生氧損耗，導致晶體的高溫電阻率顯著下降，影響制備器件的穩定性。另外，隨溫度不斷升高，LN晶體自身還會發生不同程度的化學分解（Li不穩定），這些因素都將限制該晶體在更高溫度下（＞600℃）的傳感應用。

Mohimi等利用LN晶體厚度剪切振動模式（d15模式），設計并制作了高性能超聲導波換能器，用于檢測和監控發電廠過熱蒸汽管道的結構缺陷。研究人員通過切割特定尺寸的X切LN晶片，采用高溫連接技術，將LN晶片與氧化鋁背襯層結合，制備出LN基壓電換能器原型器件。通過實驗方式驗證了LN基原型換能器在寬溫域范圍內的工作特性。通過耐高溫鋼夾將LN基原型換能器干耦合到位于一高溫爐膛內的鋼棒下部，作為超聲發射器，選取PZT基換能器置于鋼棒的另一端，作為超聲接收裝置，用于測試LN基原型換能器的超聲發射性能；然后再將LN基原型換能器作為超聲接收器，接入特定的高溫信號發射裝置，進一步測試LN基原型換能器的超聲接收性能。基本裝置示意圖如圖4所示。

圖4 LN基壓電換能器高溫性能測試裝置

研究人員通過不斷改變高溫爐內的溫度，驗證了LN基壓電換能器在不同溫度下接收和發射超聲波信號的能力。分別選取室溫和600℃時的實驗結果，繪制了時域分析曲線（見圖5）。由圖可知，該壓電換能器在室溫～600℃時具有良好的發射和接收超聲波信號的性能，只不過在高溫時超聲信號幅值有少許下降，這可能與晶體的物理化學性質變化有關。

圖5 LN基壓電換能器在室溫和600℃下接收和發射信號的幅值

除厚度剪切振動模式外，Atsushi Baba等基于LN晶體的厚度伸縮振動模式（d33模式）也展開了深入研究，探討其高溫服役特性。通過獲取LN晶體的Z向切片，經磁控濺射技術噴涂厚為200 nm的Au電極，隨后選擇與LN晶體熱擴散系數相近的奧氏體不銹鋼作為負載測試基片，將LN晶體與奧氏體不銹鋼先通過高溫陶瓷膠粘結，然后用高溫銀導電膏將外部高溫礦物絕緣（MI）電纜連接在電極上，實現與外部設備的導通，最后把該原型換能器和負載一同放入高溫電爐內，通過熱電偶測溫并實施溫控。測試實驗裝置如圖6所示。通過該裝置可測試壓電換能器的高溫服役性能。

圖6 LN基壓電換能器高溫性能測試裝置

研究人員通過分析不同溫度下的脈沖回波信號得出，該LN基壓電換能器在室溫到1000℃時能夠穩定地接收到來自負載的脈沖回波信號，且具有較高的接收靈敏度。特別注意到，本文未發現LN晶體在600℃時因為氧損失或高溫的電阻變化對脈沖回波測試產生的影響，據此推測可能與晶體材料的品質提升有關。研究表明，LN單晶在高溫壓電換能器設計及應用中具有一定的優勢。

2.4磷酸鎵晶體基壓電換能器

磷酸鎵（GaPO4）晶體是一種高溫性能穩定的壓電材料，最先采用水熱法制備的GaPO4晶體和石英晶體結構相同，屬于32點群，因而很多特性和石英相似，其d33 = 5pC/N。GaPO4晶體具有高的電阻率和機械品質因數（Qm），室溫下Qm可達10000，在α-β相轉變點970℃以下壓電性能穩定。但該晶體采用水熱法生長，晶體內部會有部分游離態的OH-集團，該集團的存在將影響晶體內部的極化率，對晶體的器件應用會產生一定影響。

利用GaPO4晶體，Mostan等開發了室溫至600℃的壓電換能器。選取特定方向的GaPO4晶片，在晶片表面鍍上100 nm的鉑金電極，通過Duralco124銀膠將GaPO4晶片粘結到有人工缺陷（直徑#0.8 mm的側鉆孔）的負載鋼板上，鋼板高為25 mm，人工缺陷在距離鋼板頂部12.5 mm處，如圖7（ａ）所示。之后，通過純鎳玻璃編織布線將該原型換能器和脈沖信號激發設備連接，實驗裝置如圖7（ｂ）所示。最后，將連接好設備中的GaPO4基壓電換能器放入高溫爐內，測試器件在寬溫域范圍內對外界超聲波信號的接收能力，實驗裝置如圖7（ｃ）所示。

圖7 壓電換能器與負載鋼板、外部設備的連接裝置及GaPO4基壓電換能器高溫性能測試裝置

通常，外加脈沖激發信號的頻率決定被測材料中產生的超聲波波長，波長越小則更易檢測到材料內部的微小缺陷。研究結果顯示，當外加信號頻率為3.5MHz時，利用GaPO4基壓電換能器便足以檢測到直徑為#0.8 mm的人工缺陷小孔；另外，通過計算從鋼板底部和人工缺陷處反射回的超聲波信號的信噪比（SNR），驗證得到了該壓電換能器的高溫檢測性能，結果如圖8所示。由圖可知，在室溫到600℃時，GaPO4基壓電換能器的接收性能穩定，具有較高的接收靈敏度，信噪比＞6 dB，滿足實際無損檢測技術在寬溫域工作范圍內的需求。以上實驗研究結果表明，GaPO4基壓電換能器在無損檢測領域具有潛在應用價值。

圖8 室溫至600℃時，GaPO4基壓電換能器信噪比數值變化示意圖

2.5氮化鋁晶體基壓電換能器

氮化鋁（AIN）晶體為六方纖鋅礦結構，具有較高的居里溫度（約2000℃），在達到居里溫度前，該晶體無任何相變發生。AIN晶體屬于6 mm點群，不對稱的晶體結構使AIN顯現出較優越的壓電性能。據報道，AIN晶體的d33 = 5.6 pC/N，d14 = 9.7pC/N。另外，該晶體具有優異的電阻特性，在1000℃時電阻率約為5 × 1010Ω·cm，這些優勢使AIN晶體在高溫壓電技術領域有著重要應用。

Taeyang Kim等利用AIN晶體研制了接收型壓電換能器，器件的信噪比＞20 dB，且在800℃下依然保持較高的工作靈敏度和穩定性。研究人員用一種抗高溫耐腐蝕的夾持裝置將AIN晶片和氧化鋁絕緣板夾緊固定在厚300 μｍ的不銹鋼鋼板上，并將它們一起放置于高溫爐中。鋼板的另一端采用Nd:YAG激光器照射（激光光源的波長為532 nm，脈沖持續時間為6 ns，脈沖重復頻率為10 Hz，激光束直徑約為#10 mm），當厚為300 μｍ的不銹鋼板表面被高功率脈沖激光垂直照射時，會在表面的微小區域內形成一個溫度梯度，該溫度梯度會在照明區域引發產生有規律的彈性膨脹和彈性壓縮，基于這些彈性應變，該微小區域將轉變為超聲波波源，產生Lamb波，并且以彈性波的形式在鋼板中傳播。實驗過程中通過不斷改變高溫爐的溫度，測試AIN基壓電換能器件在寬溫域范圍內的接收性能。實驗測試裝置如圖9所示。

圖9 AIN基壓電換能器接收性能測試裝置

研究人員首先驗證Nd:YAG激光器在室溫下產生Lamb波的長距離傳播能力，通過改變Lamb波波源和AIN基壓電換能器的間距進行驗證。結果表明，在10 ～ 20 cm時，激光器產生的Lamb波具有良好的傳播特性。為進一步檢測AIN基壓電換能器在高溫時對聲波信號的接收特性，通過改變高溫爐內的溫度，得到的實驗結果如圖10所示，即AIN基壓電換能器接收到S0波（Lamb波中的對稱波）的標準化幅值和對應S0波的信噪比。由圖可知，在室溫～800℃時，隨著溫度的升高，AIN基壓電換能器接收到的信號幅值和信噪比逐漸減小，這可能與AIN單晶的表面在700 ～ 800℃時發生氧化有關，表面態的變化導致電子能量損失和耗散，影響信號強度。另外，據文獻報道，接收信號的減弱與壓電換能器和實驗夾具間熱膨脹系數有關，這些因素都導致接收信號的減弱，不過在800℃左右時，AIN基壓電換能器信噪比仍大于20 dB，表明該器件在寬溫域范圍內具備良好的工作能力，是寬溫域無損探傷應用的優良選擇。

圖10 S0波的標準化振幅和對應S0波的信噪比

2.6稀土鈣氧硼酸鹽晶體基壓電換能器

稀土鈣氧硼酸鹽晶體（RECa4O（BO3），RECOB，其中RE表示Y和稀土元素）主要包括YCOB、Gd-COB和LaCOB等，屬于m點群。RECOB晶體通常采用提拉法生長，易獲得大尺寸優質單晶。其中，YCOB晶體具有高的熔點（約1510℃），在800℃時電阻率約為108 Ω·cm，另外其壓電常數較大，d26 = 8 pC/N，這些性能都表明YCOB晶體在高溫壓電領域具有一定的潛在應用優勢。

2014年，Joseph A.Johnson等基于YCOB晶體優異的高溫壓電性能，根據其厚度剪切振動模式（d26模式），采用YXt-30°切型制備了壓電元件，并試制了能工作在高溫環境下的接收型壓電換能器。

研究人員采用鎳－鉻－鐵基固溶強化合金作為壓電晶片電極，用耐高溫的夾持裝置將鍍有電極的YCOB晶片固定在309不銹鋼上，為防止信號干擾，在上電極與夾持裝置間增加氧化鋁隔板。原型換能器與負載連接裝置如圖11（ａ）所示。按照Hsu-Nielsen實驗設計原則，連接裝置如圖11（ｂ）所示。將上述原型換能器和負載置于高溫爐內，以測試壓電換能器在高溫時的聲波接收性能。利用圖11（ｂ）中超聲波波源產生超聲檢測波，同時位于高溫爐內的YCOB基壓電換能器接收信號，最后經外部設備進行信號分析。

圖11 YCOB基壓電換能器與負載連接裝置及高溫接收性能測試裝置

研究結果證明，無論是在30 ～ 120 kHz時的零階Lamb波還是240 kHz的一階反對稱波，高溫爐內的YCOB基壓電換能器都可以檢測到聲波信號，且在室溫～1000℃時均具有優異的接收特性。這些實驗結果表明，YCOB基壓電換能器具有較好的寬溫域工作特性，可以在1000℃下正常工作，具有良好的應用前景。

表１為各類壓電材料及其制備的壓電換能器件的性能特點。與鉛基壓電材料相比，非鉛非鐵電性壓電晶體（如AIN和RECOB等）具有更高的熔點及優良的壓電性能溫度穩定性。利用該類壓電晶體研制的壓電超聲換能器在寬溫域無損探傷應用方面優勢更明顯。當然，壓電換能器的設計和推廣應用，還需要考慮壓電材料的制備難度問題，性能優異且成本相對低的壓電材料是實現商業化推廣應用的首選。

表1 幾種壓電材料的基本性能參數及其制備的壓電換能器的耐溫特性

3結束語

本文總結了近年來在寬溫域范圍內工作的壓電超聲換能器及其制備方法和性能。利用AIN和RECOB晶體研制的壓電換能器具有比其他壓電換能器更優異的高溫服役特性，能夠在寬溫域范圍內正常工作。考慮到RECOB系晶體能夠采用提拉法生長并獲得優質大尺寸單晶，因此，該晶體在寬溫域壓電換能器研發與應用方面更具優勢，具有廣闊的應用前景。同時，隨著工業技術的發展，健康監測用特種壓電換能器的工作環境通常伴隨有輻照、腐蝕、低氧分壓等嚴苛條件及其組合，這對寬溫域壓電超聲換能器提出了更高的要求。因此，開發綜合性能優異的壓電晶體材料，研制耐嚴苛環境的壓電換能器件將是今后工作的重點和難點。

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