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基于其超高的压电活性(压电系数d33>2000pCN-1,机电耦合系数k33>0.90),二元及三元的弛豫基钛酸铅晶体如(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)与(1-x-y)Pb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PIN-PMN-PT)在过去十几年中成为了铁电领域中研究的热点材料。这种材料中在包括航空航天和水声中的众多应用领域中吸引了人们的普遍关注。具体可应用在如谐振器、压电驱动器、传感器,压电换能器等各种元器件中。极化旋转与铁电畴壁运动被认为是控制这类压电体外在性能的内部机制。对现代电子器件的持续多样化需求要求人们深刻理解压电材料的各种外场响应,包括压电性能和能量耗散性能。本文研究并讨论了多种晶体相和铁电畴结构的弛豫基钛酸铅晶体的压电活性和能量耗散行为。 首先,本文确定了多种晶体相和铁电畴结构的弛豫基钛酸铅晶体的全矩阵物性。这些数据使我们可以准确计算材料的内禀压电活性在整体压电活性中的贡献,并为进一步的能量耗散行为和器件设计的研究提供数据支撑。 接下来,本文对具有高机电耦合系数的弛豫基钛酸铅晶体的能量耗散行为进行了理论分析。机械品质因数Qm和由3dB法测量得到的谐振处/反谐振处的Qr/Qa之间的数值关系被明晰下来。对于具有高机电耦合系数的压电材料中的纵向伸缩33-振动模式,大的机电耦合系数会引进附加的能量耗散,致使Qr远远小于Qa。此时,Qa与真正的机械品质因数Qm相等,而Qr则为“机电品质因数”。随之,我们提出了将弹性损耗和压电损耗从总体的能量耗散中分离出来的有效方法,并表征了多种弛豫基钛酸铅晶体的能量耗散性能。 随后,本文分别研究了弛豫基钛酸铅晶体的内禀和外禀能量耗散行为。对于压电活性而言,我们仅仅需要考虑材料的热力学响应;但对于能量耗散行为,热力学响应和动力学过程均需要被考虑。极化旋转和极化伸缩被认为是弛豫基钛酸铅晶体中内禀贡献的控制机制。高的内禀能量耗散可解释为软质极化旋转/伸缩效应,而低的内禀能量耗散可解释为硬质极化旋转/伸缩效应。此处,“软质”指的是弹性、介电、压电响应的热力学高响应态和动力学缓慢态;“硬质”则指的是热力学低响应态和动力学快速态。畴壁的运动是弛豫基钛酸铅晶体的外禀的能量耗散和压电活性的控制机制。尽管弛豫基钛酸铅晶体的压电活性被认为是内禀贡献主导,但多畴晶体中明显的衰减各向异性行为说明着外禀效应,即畴的不稳定对材料的能量耗散有重要影响。无论是温度或成分驱动,只要靠近相界,畴壁运动活性将变大,进而增加体系的能量耗散。我们详细比较了三代晶体(PMN-PT,PIN-PMN-PT,Mn:PIN-PMN-PT)的能量耗散行为。发现第三代单晶具备最优的综合性能表现(Q·k和Q·d)。 最后,本文采用PIN-PMN-PT作为压电材料,发展了两种弯曲模式的压电谐振器,即传统的Bimorph和新型的桥接电极式谐振器。纯的弯曲模式的机电耦合系数可达0.66,并且有着极低的谐振频率。上述特征有利于其在微小型压电驱动器和压电传感器领域发挥重要作用。