英文原题：Tailoring the Microstructure and Porosity of Porous Piezoelectric Ceramics for Ultrasonic Transducer Application
作者：Shengwen Liu, Mingyang Yan, Zhitao Hu, Xi Yuan, Yan Zhang*, Dou Zhang*
背景介绍
压电超声换能器因其无损性、高精度和强穿透能力而被广泛应用于无损检测、无线能量传输、结构健康监测和医学声学成像等领域。多孔压电陶瓷和复合材料具有解耦纵向和横向模式、提高电压灵敏度和增强声学匹配的能力，有利于制造高性能超声换能器，其机电耦合特性是评估发射和接收超声波能力的关键指标。然而，设计和制造具有优异机电特性的多孔压电超声换能器仍是一项挑战。此外，孔结构与机电耦合特性之间的关系仍不明确。本文采用冷冻浇注技术制备了具有取向孔结构的多孔压电陶瓷，经过结构优化后的多孔陶瓷具备高的综合性能，并提出了一个基于均匀介质模型的修正模型来量化kt与孔隙率之间的关系，其中考虑了孔隙率和孔结构对振动模式解耦和铁电极化的影响，最终研制的多孔压电超声换能器具备宽带宽。
文章亮点
i. 研究团队开发了一种基于取向多孔压电陶瓷的低成本、带宽大的超声换能器，其在结构健康监测和成像领域有着很大的应用潜力。
ii. 本工作提出了基于均匀介质模型的修正模型来量化kt与孔隙率之间的关系，该模型可进一步用于其他多孔结构。
图文解读
首先我们基于冷冻浇注技术制造了取向多孔压电陶瓷，包括定向冷冻、冷冻干燥和烧结过程。冰晶在冷冻过程中定向生长，升华后形成排列整齐的孔结构。取向多孔压电陶瓷呈现出“3-2”和“3-3”型混合连通结构，由于冰晶沿冻结方向生长，因此可观察到沿冷冻方向高度取向的片层状孔。在直径为5 mm的铜柱基底上将多孔压电元件、背衬层和铜线进行组装，并使用硅橡胶进行封装。
图1. (a) 冷冻浇注技术的原理图。(b) 多孔 PZT-5H 陶瓷的SEM，其孔隙率约为 50 vol.% (i) 垂直于冷冻方向和 (ii) 平行于冷冻方向。(c) 多孔压电换能器的爆炸图。(d) 带有衬底的多孔压电陶瓷的SEM。(e) 封装前和 (f) 封装后多孔压电换能器的光学图像。
与致密陶瓷相比，取向多孔压电陶瓷可以实现纵向和横向模式解耦。当孔隙率高于40 vol.%时，可以实现纯厚度模式，随着孔隙率的增加，kt先增大后减小，孔隙率为42 vol.%时kt达到最大值（~0.68），比致密陶瓷高34%。为了量化多孔压电陶瓷kt和孔隙率的关系，对均匀介质模型进行修正。考虑了孔隙率和孔结构对振动模式解耦度和铁电极化的影响，引入了常数β来描述横向模态的消除程度，以及随孔隙率变化的常数ep来描述压电陶瓷的有效极化。当β值达到7时，模拟结果与实验结果非常吻合。
图2. (a) 致密陶瓷和冷冻浇注多孔陶瓷的阻抗谱、(b) 相位角、(c) 电导谱、(d) kt 和 (e) 相位角值。(f) 利用均匀介质模型模拟的多孔压电陶瓷 kt。(g) 不同 β 下的 c33。(h) ep 与孔隙率的拟合关系。(i) 利用修正后均匀介质模型模拟的多孔压电陶瓷 kt。
所研制的换能器所使用的取向多孔压电陶瓷元件孔隙率为44 vol.%，具有较高且均衡的综合性能（d33~530 pC/N，g33~42.4 mV×m/N，kt~0.676，Za~10.4 MRayls）。多孔超声换能器中心频率为2.65 MHz，具有较高的相位角值（~62.7°），达到了52%的宽带宽和540 μm的理论成像分辨率。
图3. （a）取向多孔压电陶瓷的Qm、（b）Nf 和（c）Za。(d) 脉冲回波测试示意图。(e) 44 vol.%取向多孔压电陶瓷的阻抗谱；(f) 换能器的脉冲回波。
总结/展望
综上所述，我们基于冷冻浇注技术开发了一种应用取向多孔压电陶瓷的低成本、宽带宽的超声换能器，并阐明了取向多孔结构和孔隙率与机电性能之间的关系，为应用于无损检测和成像的超声换能器制造提供了一种新的解决方案。
通讯作者简介
张斗 教授
张斗：中南大学粉末冶金研究院院长，教授，专注于功能陶瓷与器件等研究；入选2009年度教育部“新世纪优秀人才支持计划”、2011年度湖南省自然科学杰出青年和2012年度湖南省“百人计划”，伯明翰大学冶金与材料学院荣誉教授。获得2021年湖南省技术发明一等奖、2022年中国侨界贡献奖一等奖。担任Journal of Electroceramics 执行主编、Frontiers in Electronic Materials 主编和《压电与声光》编委。
张妍 教授
张妍：中南大学粉末冶金研究院/粉末冶金国家重点实验室教授，国家海外高层次青年人才，中国材料研究学会理事，德国“洪堡学者”，欧盟“玛丽居里学者”，湖南省“百人计划”，英国巴斯大学客座研究员。长期从事压电智能材料研发及其在传感、能量采集、医学和催化等应用研究。目前担任Advanced Powder Materials期刊编委。
张斗教授及张妍教授团队近几年以第一作者/通讯作者在国际著名期刊Nature Communication、Advanced Materials、Joule、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、Energy & Environmental Science、Chemical Society Review、Acta Materialia等高水平国际期刊发表论文，已主持国家重点研发计划等40余项科研与人才项目。
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ACS Appl.Mater.Interfaces 2024, 16, 41, 55731–55740
Publication Date: October 7, 2024
https://doi.org/10.1021/acsami.4c11303
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
ACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程
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