高温退火处理对ZnO压电涂层结构和性能的影响

ZnO是目前压电螺栓传感器的主要涂层材料，具备优异的压电性能，表现出优异的声-电信号转换性能，但目前对其高温结构及性能稳定性研究较少。本工作利用射频磁控溅射法在（100）Si和工业用钛合金螺栓上制备出可产生超声纵波的ZnO压电涂层，并对其进行不同温度和不同时长的退火处理，用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射和自建的WHU-US100声信号测量设备研究高温退火处理对涂层结构及性能的影响。结果表明，Si/ZnO涂层在600℃以下的退火处理不会对涂层表面微观形貌产生影响，涂层截面形貌呈现柱状晶结构，且随着温度的升高，柱状晶有合并的趋势；涂层表面粗糙度变化幅度为±4 nm；不同的退火温度对涂层的晶体结构未产生明显的影响。螺栓/ZnO涂层在500℃及以下温度的退火处理后涂层表面完整，600℃退火处理后的螺栓涂层完全脱落，超声检测表明涂层在500℃以下退火后保持稳定；在300℃下，经过长时间的退火处理后，螺栓样品可正常激发出超声波，涂层结构未被破坏，表明该ZnO涂层可以在300℃的温度范围内长期服役。