3-3连结接收型PZT压电复合材料换能器研究

本文介绍了3-3连接接收型 PZT 压电复合材料换能器的理论计算、设计原理和物理性能。换能器的特性阻抗为3.2×10~5Pa/s,在50～220kHz 频率范围内,接收灵敏度为-205dB 左右:与计算值吻合较好,在阶跃电脉冲作用下,换能器的瞬态输出波形为一个正弦周期。本文也列举了这种换能器的某些实际应用。     

PZT基陶瓷纤维性能对1-3复合材料性能影响

采用塑性聚合物方法制备了高可塑性、高密度和高生坯强度的PZT5、PMnS、PBS陶瓷纤维，通过排列浇注法制备了1-3复合材料，研究了不同组成陶瓷纤维对复合材料性能的影响。结果表明，复合材料的介电常数、声阻抗和品质因数均比相应的陶瓷性能小了一个数量级，压电应变常数d33和平面机电藕合系数kp不同程度降低，但是压电电压常数g33和厚度机电藕合系数反大幅度增加，使得1-3复合材料的各相异性明显增强，复合材料的性能变化规律同压电纤维性能的变化规律相同，因此可通过改变纤维相性能而改善复合材料的性能。     

PZT/环氧树脂1-3-2型压电复合材料的制备及性能

采用压电陶瓷基板与1-3型压电复合材料串联连接,沿表面两相互垂直的方向切割PZT陶瓷,在切槽间浇注环氧树脂,制备出新型的1-3-2型压电复合材料.实验测试了材料的压电和介电性能,结果表明其d33常数达到400 pC/N,振动位移113.5pm,声速3500m/s,声阻抗17.6Mraly,厚度机电耦合系数0.62,带宽3.6kHz,相对介电常数817,介质损耗0.02.     

陶瓷骨架对3-3型复合材料压电性能的影响

本工作研究了压电陶瓷的化学组成对3-3型复合材料介电、压电性能的影响。选用了三种类型的压电陶瓷:“硬性”压电陶瓷(PZT-F)、“软性”压电陶瓷(PZT-N)和“稳定型”压电陶瓷(PZT-C)。实验结果指出:以PZT-F 和 PZT-C 为骨架制成的复合材料仍然具有较低的体积密度、较高的静水压灵敏度、小的机械品质因数和较小的介质损耗,同时其耐静水压稳定性也有所改善。这种复合材科已装配成发射型换能器,成功地用于地震模拟试验。这类材料的问世将有助于宽带换能器的发展。     

1-3型压电复合材料圆柱形水听器

通过对圆柱形水听器在低频接收时的静态理论分析,得到了 1－ 3型压电复合材料径向极化圆柱形水听器的自由场电压接收灵敏度计算公式;分析了不同背衬材料及不同厚度的复合材料对圆柱形水听器灵敏度的影响;实测了 1－ 3型压电复合材料圆柱形水听器的自由场电压接收灵敏度。 试验值与理论计算值基本吻合。     

准1-3复合型压电换能器的研制

水声高频换能器在水声领域具有广泛运用,然而常规厚度振动高频换能器在高频段存在强烈的高次径向耦合振动,制作出的换能器出现了阻抗曲线杂乱,相位一致性差,电声效率低的问题。设计制作了一种单一振动模态的换能器,通过将常规厚度振动换能器陶瓷片切割成密排矩形颗粒,再用环氧树脂将切缝填充满。制作两片直径为55mm的准1-3复合材料,由该材料制作的换能器谐振频率为293kHz,谐振点阻抗50,3dB阻抗带宽23.5 kHz,3dB开角为5.75°,50W电功率输出声源级达到217.5dB。通过该工艺可以消除高频厚度振动换能器的高次径向耦合振动,提高高频厚度振动换能器的电声转换效率和一致性,并能实现批量制作,为高频换能器在水声领域的广泛运用提供了新的手段。     

1-3型压电复合材料的机械品质因素

采用切割-填充法制作1-3型压电复合材料,PZT-5A作为压电相,改性618环氧树脂作为聚合物相。研究了1-3型压电复合材料的机械品质因素Qm值与压电相的体积分数及形状参数的关系。压电相的体积分数及形状参数优选后的1-3型压电复合材料可获得较低的机械品质因素Qm值,其值可达10,谐振频率可达850kHz,频带宽度可达86kHz。     

压电复合材料用于透镜式聚焦换能器的研究

为了增加聚焦换能器的带宽, 抑制其多模振动耦合现象, 提高电声转换效率, 实验采用1-3型压电复合材料代替压电陶瓷作为超声发射材料, 设计并制作了一种新型的1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器。通过频率特性的对比研究, 证明了1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器不仅能增加换能器的带宽, 达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器带宽的3.13倍, 而且能明显抑制径向振动, 得到单一纯净的厚度振动模态。另外, 1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器的电声转换效率达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器的1.88倍, 为高效率聚焦超声换能器的实现提供了理论及实验基础。     

1-3型水泥基压电复合材料的制备及性能

采用切割-浇注法, 以硫铝酸盐水泥为基体, 制备了1-3型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3型水泥基压电复合材料的制备过程; 研究了0.375Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.375PbTiO₃-0.25PbZrO₃压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料的压电性能、 介电性能和声阻抗的影响。结果表明: 压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料性能有很大影响, 随着w/t的增加, 其压电应变常数d₃₃、 机电耦合系数K_p与K_t、 机械品质因数Q_m、 介电常数ε_r和介电损耗tanδ均随着w/t的增加而减小, 而压电电压常数g₃₃值几乎不受w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下, 调节压电陶瓷柱的宽厚比w/t至0.130, 可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近, 从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。      

1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能

以 123型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、 线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。结果表明: 当加载频率小于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大 , 但当加载频率大于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关 ; 传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性 , 其输出电压与复杂载荷、 随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系 ,且与输入载荷基本同步 , 不存在滞后现象 , 试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。      

0-3型压电陶瓷-硫铝酸盐水泥复合材料的压电性能

采用压制成型法,以快硬硫铝酸盐水泥为基体制备了水泥基压电复合材料。分析讨论了极化工艺条件和PZT含量对水泥基压电复合材料压电性的影响。结果表明,较高的极化电场强度和较长的极化时间均有利于压电性能的提高,但当极化电场强度和极化时间达到4.0 kV/mm和45 min后,压电应变常数d₃₃趋于稳定; 随着PZT含量的增加,硫铝酸盐水泥基压电复合材料的压电应变常数d₃₃、压电电压常数g₃₃和机电耦合系数K_P、K_t均显著增大。当PZT质量分数达到85%时,K_P和K_t可达28.54%和28.19%。      

1-3-2压电陶瓷/聚合物复合材料圆柱型换能器制备

改进的1-3(1-3-2)型压电复合材料由1-3压电复合材料与陶瓷基底沿陶瓷极化方向串联而成,其不仅具有与1-3复合材料相同的优点,而且克服了1-3复合材料遇热和受压容易变形等缺点。利用改进的1-3型压电复合材料制作的圆柱型水声换能器在直径为70mm时,其谐振频率为72kHz;发射电压响应为139dB;在20～60kHz频率范围内接受电压灵敏度为-212(起伏±4dB)。换能器水平方向具有基本均匀的指向性,垂直方向波束宽度为12°。     

1-3-2型压电陶瓷/聚合物复合材料的理论模型

根据Chan的1-3型复合材料理论模型和Newnham的复合材料串并联理论,提出了一种用于计算新型1-3-2型压电陶瓷/聚合物复合材料的介电常数和压电常数的理论模型.并制备了一批1-3-2型压电复合材料样品,把理论模型的计算值与实际测量的材料参数进行了比较,结果表明两者符合较好,误差小于10%.     

1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响

采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响.结果表明:分支电极中心距P一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电极结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍.较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,但夹持应力则相应降低.     

0-3型压电复合材料的压电性能研究

总结讨论了O-3型压电复合材料的一般特点，从理论与实验上研究分析了PZT含量、聚合物类型、陶瓷粉末与极化参数对压电系数^-d33的影响，在一定程度上提供了提高O-3型压电复合材料的压电性能的途径。     

PZT陶瓷粉体及其PVDF压电复合材料的制备与性能

采用溶胶-凝胶法合成PZT压电陶瓷粉体,经XRD和SEM分析显示,陶瓷颗粒已形成了钙钛矿型结晶相,颗粒大小在0.1~1μm之间。采用溶液共混法将PZT粒子均匀分散于PVDF基体中,制备了PZT/PVDF压电复合材料。结果表明,增加PZT含量有利于复合材料压电性能的提高,当陶瓷体积分数达70%时,复合材料的压电常数最高。     

1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料的制备及其性能

采用切割-浇注法,以聚合物改性硫铝酸盐水泥为基体,铌锂锆钛酸铅(简称P(LN)ZT)为功能体制备了1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料。研究了P(LN)ZT陶瓷体积分数对复合材料的压电和介电性能的影响。结果表明：随着P(LN)ZT陶瓷体积分数的增加,压电应变常数d₃₃、相对介电常数εr和声阻抗率Z呈现明显的增大趋势;而压电电压常数g₃₃和介电损耗tanδ则呈现下降趋势。与P(LN)ZT陶瓷相比较,1-3型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因素明显降低,当P(LN)ZT陶瓷体积分数为30.86%时,其声阻抗率为8.24×106 N·s/m3,接近于混凝土的声阻抗率9.0×106 N·s/m3,适用于制作混凝土超声无损检/监测换能器。     

1-3型压电复合材料的制备及性能分析

简要介绍了压电复合材料的复合理论及有限元方法(FEM),并结合具体材料的参数,得到了1-3型压电复合材料各性能参数随PZT相体积比变化的曲线;同时,通过有限元软件对1-3型压电复合材料进行了仿真;最后,利用割模-浇铸法制作了1-3型压电复合材料,并对其性能进行了测试及分析。     

1-3型压电纤维复合材料的制备及性能研究

用粉末-溶胶混合物挤出法制备了直径为300μm和400μm的PZT压电纤维,研究了纤维的显微结构、密度和收缩率.采用排列-浇铸法制备了纤维体积分数为25%的1-3型压电纤维复合材料,计算了材料的介电常数、机电耦合系数和机械品质因数.结果表明:1-3型压电复合材料的Kp小于压电陶瓷片,Kt和Kt/Kp都大于陶瓷片;相同体积分数的压电纤维复合材料,直径为400μm的纤维制备的复合材料其εT,d33,Kt和Kt/Kp都大于直径为300μm的纤维制备的复合材料.     

注射法制备1-3连通压电复合材料及性能研究

采用陶瓷注射成型技术制备PZT陶瓷阵列,经过脱脂、烧结、灌注环氧树脂以及后加工得到长径比为4~5的1-3连通压电复合材料,并对其压电性能和机电转换性能进行研究。结果表明,压电系数d_(33)达到400p C/N以上,与压电陶瓷的相当;纵横耦合比k_t/k_p在2左右,高于PZT陶瓷的纵横耦合比。