许多水声工程设备中最核心部件为水声换能器, 而水声换能器中最核心材料为压电材料。新的压电材料制备完成之后, 在实际运用之前，首先需要进行材料特性测试。测试目地有二, 一方面, 观察材料参数是否符合预期, 材料制备者根据测试结果, 考虑是否需要改进 配方与工艺，以改善某些性能参数; 另一方面, 水声换能器设计人员进行换能器模拟与设计时, 需要掌握全矩阵材料参数。
传统的超声脉冲-回波与谐振测试技术存在以下两个缺点, 首先，测试需要多个不同形状样品，因此测试过程复杂费时；其次，不同材料参数来自于不同形状样品，然而不同形状的压电材料样品往往极化状态不一样，故根据多个不同形状样品所测得全矩阵材料参数容易出现不自洽，从而影响后续的换能器设计。
图3 PZT-4样品的超声谐振谱图
图4 RUS技术反演所得PZT-4样品材料参数. (a)弹性系数; (b) 压电系数
为克服上述问题, 本课题组展开了压电材料全矩阵材料参数的超声谐振谱(RUS)测试技术研究。由于RUS技术仅仅需要一个样品即可测出完整的全矩阵材料参数, 从而保证了测试结果的自洽。图3为不同温度下PZT-4样品的超声谐振谱图。 图4(a)与(b) 分别为利用RUS技术反演的PZT-4样品的弹性系数与压电系数。本项目组还利用RUS技术对<001>向切割极化的锰掺杂24PIN-PMN-29PT压电单晶及<011>向切割极化的PMN-29PT压电单晶的全矩阵材料参数进行了反演。本研究使得先进压电材料全矩阵材料参数随温度变化特性测试成为可能。 相关成果已经发表于国际知名期刊Applied Physics Letters (vol.106, 052902, 2015)。
