超快激光制备高频1-3型PIN-PMN-PT复合材料超声换能器

与其他压电材料相比,1-3型压电单晶复合材料具有优异的压电性能和更匹配的声学特性,更有利于制备出性能优异的超声换能器。该文通过有限元软件COMSOL对复合材料的振动模态及阻抗特性进行了系统的研究,同时采用皮秒激光制备了高频1-3型Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)铁电单晶/环氧树脂复合材料,并进行了性能表征。该1-3复合材料机电耦合系数为0.65,声阻抗为19.96 MRayls。该复合材料可用于制备高频超声换能器,结果表明,换能器中心频率为17.68 MHz,-6 dB带宽为84.38%,插入损耗为-25.4 dB。     

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

基于空气耦合超声技术的线型材料杨氏模量测量

该文介绍了一种基于空气耦合超声技术的材料杨氏模量评估方法。首先采用1-3型压电复合材料及双层匹配结构,研制了高灵敏度的空气耦合超声换能器。在一发一收模式下,该空气耦合超声换能器的插入损耗和-6 dB带宽分别为-23.9 dB和26.9%。其次搭建实验平台,将空气耦合超声技术与静态拉伸法结合,以评估铜线和银线杨氏模量。铜线和银线杨氏模量评估结果与对应的公认值范围一致。     

压电空气耦合超声换能器制备优化及实验验证

空气耦合超声换能器作为一种无损检测(NDT)的重要设备,具有广阔应用前景,但由于压电元件与空气声阻抗失配导致低带宽(BW)、低灵敏度(SNS)及高双程插入损耗等缺陷而阻碍其应用。该文对空气耦合超声换能器制备工艺进行优化,使用COMSOL软件模拟了压电元件的尺寸设计。同时通过采用1-3型压电复合元件与优化环氧树脂+空心玻璃微珠匹配层调控压电元件与空气的声阻抗,制备了工作频率400 kHz的空气耦合换能器。在工作频率时,该换能器的厚度振动模态较纯,带宽较宽,灵敏度与双程插入损耗为-38 dB。结果表明,采用该文自研工艺制备的空气耦合超声换能器具有良好的性能与巨大应用潜力。     

MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法

针对超声换能器阵列中阵元密度难以提升和工艺重复性差等问题,提出了一种基于硅-硅键合技术的MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的密排二维换能器阵列。阵列中每个声学单元均为由上电极、压电材料(PZT)层、下电极和支撑层组成的多层膜结构,并通过其弯曲振动模式实现超声波的发射和接收。制备样品的测试结果表明,采用该方法制作MEMS压电超声换能器阵列,具有阵元间距小、工艺流程可靠、成品率高、一致性好、工作频率(2.45MHz)与设计值(2.5MHz)的吻合度高等优点,适用于医学成像等高频超声成像系统。     

基于1-3压电复合材料的相控聚焦系统

针对相控聚焦超声系统控制电路复杂、移相精度低, 锆钛酸铅(PZT)材料制备的换能器转换效率较低的问题。控制电路采用Verilog HDL语言将通信、倍频锁相、信号发生及信号移相功能集成在现场可编程门阵列(FPGA)中。换能器采用1-3型压电复合材料制作。实验结果显示,该相控聚焦系统提高了电路集成度与移相精度及换能器的电声转换效率。     

1-3型压电复合材料的机电响应特性和温度稳定性

1-3型压电复合材料具备优异的机电耦合性能,这对于高性能压电换能器的开发具有重要意义。该文采用低成本的切割填充法制备了不同结构参数的1-3型PZT/环氧树脂复合材料,并结合有限元模拟法对其压电性能、机电响应特性和温度稳定性进行了系统地研究。1-3阵列结构对平面方向应变产生了很大的衰减,使能量更集中于厚度共振模式。复合材料的高径比是影响机电耦合性能的主要因素,更精细的阵列结构有利于高性能压电换能器的制造。在-20～60℃内,1-3型压电复合材料的厚度机电耦合系数约为0.61,变化率小于1%,表现出良好的温度稳定性。     

直写成型制备的3-3型PZT压电复合材料及其性能

3-3型压电复合材料在超声波传感器、水下声学检测等领域有着广泛的应用。锆钛酸铅(PZT)陶瓷通过复合有望制备具有低介电常数、低脆性等优点的复合材料。采用直写成型技术制备了PZT三维木堆结构支架,结合浸渍法填充环氧树脂制备了3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料。研究了陶瓷相体积分数对3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料的介电、压电、铁电性能的影响,并对比了PZT陶瓷支架与PZT/环氧树脂复合材料的介电与压电性能。研究结果表明,随着陶瓷相体积分数的增加,复合材料的介电常数、压电常数及剩余极化强度都会增大,PZT支架具有更大的介电常数、压电常数、压电电压常数;当陶瓷相体积分数为36%时,PZT支架与PZT/环氧树脂的压电电压常数分别达到151.0 mV·m/N与104.0 mV·m/N。PZT/环氧树脂复合材料同时具备了压电陶瓷的硬度、电性能,以及聚合物的柔韧性、低密度等优势,其应用前景良好。     

基于PZFlex的1-3压电复合材料横向振动模仿真

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗,适用于制作水声和医疗超声换能器,但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能,限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料,复合材料的厚度为0.32 mm,陶瓷柱宽度为0.08 mm,长度为0.10~0.25 mm,刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算,仿真结果表明,复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz,随着陶瓷柱长度的增大,横向谐振频率逐渐向低频处移动,当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时,横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器,利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。     

基于高压电性PMNT陶瓷的无损检测高频超声换能器

Sm掺杂Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃0.30PbTiO₃(PMN0.30PT)陶瓷具有与PMN0.30PT单晶相当的超高压电响应(d33约为1 300 pC/N),但比压电单晶具有更高的一致性和更低的成本。该文针对高频超声无损检测的工业化应用,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷设计并制作了中心频率大于30.5 MHz的高频超声换能器,利用超声脉冲回波法进行了换能器的性能表征,并测试了其声场。针对小型塑料零部件的微结构,利用所制备的高频超声换能器进行了超声成像。结果表明,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷的高频超声换能器具有优异的成像性能,适合于高频超声无损检测成像的工业化制备。     

1-1-3型压电复合材料的水声换能器研究

应用切割灌注法制备了1 1 3型压电复合材料,并对其电学性能进行了测试。1 1 3型压电复合材料通过在压电晶柱间引入2种具有不同杨氏模量的聚合物,提高复合材料整体的机电耦合系数。经测试,其机电耦合系数达0.65。以此材料为基础制备了谐振频率为110 kHz的水声换能器,并研究了匹配层对1 1 3型压电复合材料换能器性能的影响。通过对比发现,当换能器具有匹配层结构时,可产生共振效应,能有效提高换能器的发射电压响应及接收灵敏度。     

基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列研究

该文设计了一种基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列,并采用有限元法分析了阵元的导纳特性。应用有限元法对比分析了基于1-1-3型和1-3型压电复合材料直线型换能器阵列的电导,以及阵元位置对电导的影响。为进一步验证仿真结果,该文设计了一种“一体成型”的换能器阵列制备工艺,并制备了实验样品。实验结果表明,1-1-3型直线型换能器阵列比1-3型直线型换能器接收灵敏度一致性稳定提高4 dB,发射电压响应的一致性稳定在0.6 dB内,有效地提高了高频换能器阵的阵元一致性。     

皮肤囊肿成像用高频超声换能器及扫描方法

高频超声成像具有几十微米级的纵向分辨率,适用于皮肤等人体组织的微结构成像。该文针对皮肤囊肿等凸形的人体组织内部微结构,提出了一种适用于凸形组织的非接触式弧形超声扫描成像方法,设计并制备了一款41.5 MHz的高频超声换能器。首先采用脉冲回波法对其性能进行系统表征,然后设计了凸形旋转扫描成像装置,并对凸形皮肤囊肿模型进行扫描、滤波、补偿等信号采集和处理,最终实现了高频超声成像。结果表明,此方法所用换能器纵向分辨率为50μm,能够对皮肤囊肿模型内部精细结构进行成像,这将促进相关临床医学和超声成像技术的发展。     

串叠复合材料圆环阵水声换能器设计及制备

提出了一种新型高频宽带压电复合材料圆环阵换能器,综合采用了压电复合材料和多模耦合振动来拓展换能器带宽。通过ANSYS软件对其进行有限元建模仿真,得到了该换能器谐振频率和带宽随压电陶瓷圆环厚度、高度和平均半径的变化规律,并根据仿真结果确定了换能器敏感元件最优设计方案。由最优参数加工得到用于叠堆的两个压电复合材料圆环,并将两压电复合材料圆环轴向叠堆,最终制作了双圆环叠堆压电复合材料水声换能器。经测试,该新型换能器形成了明显的双模耦合振动,其-3dB工作带宽为320~410kHz,最大发送电压响应达147.8dB。研究结果表明,利用复合材料和多模耦合振动可以大幅度拓展高频换能器的带宽。     

基于行列寻址的压电超声换能器柔性曲面阵的研制

锆钛酸铅(PZT)压电超声换能器材料由于其优异的压电性能而在微电子机械系统(MEMS)领域受到了广泛的关注。订制了边长4 cm的PZT压电陶瓷片,将压电陶瓷片与柔性印刷电路板(PCB)键合,将压电陶瓷片划成2.45 mm×2.45 mm的阵元,在沟槽内填充环氧树脂胶。将键合后的压电陶瓷片粘在曲面模具上,溅射金属形成上电极,制成14×14阵元的曲面阵,其曲率半径为10 cm。此曲面阵采用行列寻址(RCA)的方式可以在水中测到发射和接收信号,并且可以对体模进行脉冲回波成像,在超声成像领域有广阔的发展前景。制备的曲面阵可为研制直径20 cm的柱面阵提供参考。     

CNT改性水泥基压电复合材料制备与压电性能

采用Fenton试剂结合超声分散和紫外线照射对CNT进行表面修饰,采用溶胶-凝胶法制备纳米级压电陶瓷(PZT),以CNT作为增强相,结合手动压片与直流极化工艺,制备出CNT改性水泥基压电复合材料。通过红外光谱和分光光度测试,当超声温度60℃、紫外线照射1h时,CNT分散液分散均匀,分散性最好。通过显微测试,CNT和PZT在水泥基压电复合材料中分散均匀,但结构致密度下降。压电常数和相对介电常数分别达到50.6pC/N、412.0,与相同条件下制备的PZT水泥基压电材料相比,分别提高18.5%、4.1%。同时,分散的CNT能发挥宏观量子隧穿效应,使复合材料在几乎不降低材料介电性能情况下更易极化。     

1—3型PZT／Polymer压电复合材料性能分析

通过实验分析了由压电陶瓷相PZT－H与聚合物相环氧树脂组成的1－3型压电复合材料其性能与两相材料的性能、PZT体积比、PZT细柱的纵横比及横向周围性的关系,并依据这些关系找到了满足医疗超声和无损检测要求的两相材料的最佳组成。     

共聚尼龙/PZT复合材料的压电和介电性能研究

以共聚尼龙为基体,采用简单的热压工艺制备了0-3型共聚尼龙/PZT压电复合材料,研究了所制复合材料的介电和压电性能.结果表明:以共聚尼龙为聚合物基体可以制备出具有优良介电和压电性能的新型聚合物/PZT复合材料;在共聚尼龙的体积分数为0.20时,复合材料的压电常数和相对介电常数都达到最大值,分别为55 pC/N和155.     

1-3型压电复合材料研究进展

随着现代化、智能化技术的不断加强,智能材料的投入和使用推动了现代智能仪器的良性发展.作为压电传感器领域的核心元件,1-3型压电复合材料的出现优化了纯陶瓷类压电材料的性能,是当前一种具备高机电特性、高稳定性的功能材料,已被广泛应用于水声检测、无损探伤、医疗超声等技术领域.近年来,随着换能器对高频宽带、耐高温高压的技术需求...     

BS-PT基高温压电超声换能器研究

针对高温超声检测技术的应用需求,该文研究了基于钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基高温压电陶瓷材料的高温超声换能器。利用PiezoCAD器件仿真软件设计并制作了一款1 MHz的高温压电超声换能器,且在200 ℃下对该器件的电学和声学性能进行了测试和分析。结果表明,随着测试温度的升高,换能器的脉冲回波幅值虽略有降低,但其中心频率、带宽变化不明显,带宽仍保持在20%左右。该文设计并制备的BS-PT基高温压电超声换能器可以在200 ℃环境中正常稳定工作。