无铅压电陶瓷在预应力超声换能器中的应用研究
无铅压电陶瓷在预应力超声换能器中的应用研究 | MDPI Actuators
论文标题：Lead-Free Ceramics in Prestressed Ultrasonic Transducers
论文链接： https://www.mdpi.com/2076-0825/14/2/55
期刊名： Actuators
期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/actuators
文章导读
超声换能器是工业、医疗、汽车等领域的关键部件，但其核心材料锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷因含铅而对环境和健康构成威胁。欧盟RoHS指令已对铅的使用进行限制，使得开发性能相当的无铅替代材料的任务迫在眉睫。
尽管科研界已发现多种无铅压电材料，但其能否直接替换PZT并满足工业应用的可靠性要求，仍缺乏系统性验证。本研究旨在填补这一空白，通过构建一系列预应力纵向振动换能器（BLT），系统对比了标准PZT材料（PIC 181）与两种商用无铅KNN基材料（PIC 758和PIC HQ2）的性能，从材料特性、换能器装配、老化工艺到带载能力进行了全流程评估。核心结论是：通过调整换能器几何设计，当前的无铅材料完全可用于中等功率的BLT换能器。
研究内容
1. 换能器设计与压电陶瓷特性对比
研究采用经典的朗之万换能器（BLT）结构，由预应力螺栓、质量块、电极和四片压电陶瓷环组成（图1）。为评估材料替代的可行性，三种不同材料的换能器使用了完全相同的金属部件。
图1. BLT换能器设计
对每种材料各50片陶瓷环的电导纳测量（图2）显示，无论是含铅PIC 181还是无铅PIC 758和PIC HQ2，其样本一致性都非常高，谐振频率偏差在0.2%以内， 体现了优异的制造一致性。
图2. 50片陶瓷环在短路条件下的输入导纳频率响应（彩色实线）与仿真结果（黑色虚线）对比：（a）PIC 181，（b）PIC 758，（c）PIC HQ2
从材料参数对比（表1）和关键指标（表2）可以看出，无铅材料与PZT存在显著差异。例如，PIC 181的密度为7850 kg/m 3 ，而两种无铅材料仅为4800 kg/m 3 ；压电常数d33方面，PIC 181为253 pC/N，PIC HQ2仅为60 pC/N。
表1. 三种压电陶瓷的材料参数对比
表2. 三种压电陶瓷的关键性能指标对比，无铅材料明显低于含铅PZT
2. 换能器装配与老化工艺
预应力对换能器性能至关重要。本研究对所有换能器施加了40 MPa的相同预应力，并通过测量产生的电荷进行精确控制。之后，换能器经历了约6分钟的“老化”工艺，在约1 m/s的振动速度下连续运行以稳定性能。
图3记录了老化过程中的数据：PIC 758的温升最高；无铅材料所需的驱动电压显著高于PIC 181；PIC 181和PIC HQ2的谐振频率随温度线性下降，而PIC 758则呈非线性关系。
图3. 老化过程结果（自由谐振，≈1 m/s，≈6分钟）：（a）温升随时间变化，（b）频率变化随温升变化，（c）电压/速度比随时间变化，（d）振动电流/速度比随温升变化
3. 自由振动特性
老化后的小信号导纳测量（表3，图4）显示，因密度较低，无铅换能器的谐振频率更高；其阻抗远高于PZT（PIC HQ2的最小阻抗为775.86 Ω，PIC 181仅为43.66 Ω），这对驱动电子设备的设计提出了更高要求；同时，无铅材料的有效耦合系数和机械品质因数也均低于PZT。
表3. 所有换能器小信号导纳测量结果总结，显示了频率、阻抗等关键参数的平均值和标准差
图4. 三种材料换能器的小信号导纳特性（自由振动，室温）
4. 带载性能评估
为模拟真实工况，换能器尖端浸入水中作为负载。短时测试（图5）显示，尖端振动速度与振动电流在室温下呈良好的线性关系。在自由振动下，PIC HQ2的功耗最低（约6 W），而PIC 181和PIC 758分别约为10 W和9 W。在带载情况下，所有换能器的有功功率均达到32-34 W水平，表明声能输出能力相当。
图5. 短时操作测试结果：（a）空载时 尖端速度与振动电流的关系，（b）有功功率与振动电流的关系（深色为空载，浅色为带水负载）
更长时间的连续带载测试（图6）表明，无铅换能器需要更高的驱动电压，但它们的自发热均低于含铅PZT换能器。例如，在稳定状态下，PIC 181温升最高，而PIC HQ2温升最低。这得益于PIC HQ2在高振幅下更低的机械阻尼，这对于对热敏感的应用非常有利。
图6. 带载加热测试结果（浸水，连续驱动至稳态）：（a）振动电流随时间变化，（b）温升随时间变化，（c）电压幅值随时间变化，（d）有功功率与振动电流的关系
研究总结
本研究通过系统、实际的工程验证，回答了无铅压电陶瓷能否用于预应力超声换能器这一核心问题。主要结论如下：
1. 可行性得到证实： 两种商用无铅KNN基压电陶瓷（PIC 758和PIC HQ2）成功集成了标准BLT换能器，在中等功率应用中展现出与PZT相媲美的性能。
2. 不可“一对一”直接替换： 由于无铅材料密度更低、压电常数(d33)和耦合系数(k33)更小，直接替换PZT会导致换能器谐振频率和电阻抗发生显著变化（频率升高约10%，阻抗增大数倍至一个数量级）。因此，更换材料时必须根据新材料的特性，利用现有仿真工具重新设计换能器的几何尺寸（如调整金属部件长度），以满足特定的工作频率和阻抗要求。
3. 特性与应用优势： 无铅换能器需要更高的驱动电压以达到相同功率，这对驱动电源提出了挑战，但同时也带来了更大的设计灵活性（如可使用更薄的陶瓷片）。令人关注的是，无铅材料（尤其是PIC HQ2）在连续大功率工作时表现出更低的机械阻尼和自发热，这对热敏感工艺（如医疗超声刀）和提升系统可靠性极具吸引力。
4. 未来展望：
• 优化设计与工艺： 当前换能器设计并非针对无铅材料最优。未来可通过调整金属部件质量或陶瓷片数量，在功率、频率和阻抗之间取得更佳平衡，并优化预应力工艺以提高产品一致性。
• 提升材料性能： KNN基材料的压电性能仍有提升空间。未来材料研发应致力于在不牺牲机械品质因数（Qm）的前提下，进一步提高其d33和k33。
• 拓展应用验证： 本研究以水为负载，后续需在焊接、切割等固体负载应用中验证其长期稳定性和可靠性，并探索其在更高功率需求场景下的适用性。
• 开发专用驱动技术： 针对无铅材料的高阻抗特性，开发与之匹配的高压、低电流驱动电源和更精准的谐振频率追踪算法是产业化的关键一环。
期刊介绍
主编：Kenji Uchino, Pennsylvania State University, USA; Norman M. Wereley, University of Maryland, USA
期刊下设包括执行器材料、航空执行器、机器人执行器、控制系统等10个专题，为执行器和控制系统的科学和技术提供了一个先进的论坛。
2025 Impact Factor：2.4
2025 CiteScore：4.3
Time to First Decision：16.6 Days
Acceptance to Publication：3.7 Days
主题：对比