基于1-3-2型压电复合宽频带水声换能器研究

设计并制作了1-3-2型压电复合陶瓷材料,利用该型压电复合陶瓷材料具有低声阻抗,低机械品质因数(Q),高机电转换系数,电极制作工艺简单及结构稳定不易发生变形等特点,制作了水声换能器件,并进行了电声性能分析与测试。分析结果表明,基于1-3-2型压复合材料制作的水声换能器具有在工作频带内模态单一、高发射响应及宽频带等特点。     

1-3型压电复合材料设计分析

1-3复合材料作为敏感元件已经被广为研究,但作为一种激励元件的研究极为有限。利用有限元原理研究一种1-3型压电复合材料。这种材料中,PZT-5H压电陶瓷作为单元支梁,聚合物作为这种压电陶瓷周围的填充基体。通过改变PZT-5H在这种材料中的体积比率,再经过谐响应分析,可以得到一种具有最高的机电耦合特性的结构。为了简化有限元建模的复杂程度和缩短计算时间,将这种1-3型复合材料等价为单一相的材料,并加以验证。这种新型的1-3型压电复合材料作为前沿技术可以用在半导体封装领域键合机的换能器上。     

有限元法分析1-3型压电复合材料换能器

1-3型压电复合材料圆柱型换能器由薄片状1-3型压电复合材料沿金属薄壁圆管周期排列粘贴而成。根据换能器实际结构和1-3型压电复合材料等效参数模型,利用有限元法在ANSYS中分别建立了两种仿真模型。为验证等效参数模型的可靠性,实验通过改变模型结构尺寸,使换能器内半径从20mm变化到50mm,每5mm作为一个数据点进行建模。仿真计算相同结构尺寸下两种模型的径向振动频率,比较显示两种模型仿真结果接近,平均相对误差仅2.3%。因此,可利用模型II代替模型I对1-3型压电复合材料圆柱型换能器进行仿真分析,从而简化建模和计算。在此基础上,利用模型II分别模拟了该种换能器在空气和水中径向振动频率附近的导纳、发射电压响应和接收电压灵敏度等性能。     

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。     

高频球面宽波束水声换能器研究

该文对高频球面宽波束水声换能器的声学特性与制作工艺进行了分析和研究,制作出了满足设计要求的换能器样品,并对其声学性能参数进行了测试。实验分析结果表明,研制的高频球面宽波束换能器具有在工作频带内模态单一,高频工作时水平和垂直方向具有宽波束等特点,该型水声换能器应用于声呐系统时,可有效增加声呐系统的辐射范围。     

1-3-2型压电复合材料的研制

基于Newnhm复合材料串、并联理论,推导了计算1-3-2型压电复合材料的介电常数和压电常数的公式。经反复试验,研制了两批1-3-2型压电复合材料样品。测试结果表明,1-3-2型压电复合材料性能参数的理论计算值与实测结果相符．     

铌酸钾钠基1-3型压电复合物的制备及其性能研究

采用传统固相法制备了在1 130℃下烧结而成的(K_0.45Na_0.55)_0.98Li_0.02(Nb_0.77Ta_0.18Sb_0.05)O₃(KNLNTS)无铅压电陶瓷。陶瓷致密度和电学性能较好,致密度达到98%,室温压电常数为308.7 pC/N,厚度振动机电耦合系数可达0.5,1 kHz时介电损耗为0.043。以上述KNLNTS基粉体为原料,利用切割填充法制备1-3型压电复合材料并研究了厚度对复合材料的性能影响。结果表明,复合材料的压电常数、厚度振动机电耦合系数均随厚度的增加而增加,介电损耗随厚度的增加而减少,而相对介电常数基本保持不变。     

方形1-3-2型压电复合材料薄片的谐振性能研究

通过理论和实验研究了水声换能器用方形1-3-2型压电复合材料薄片的结构参数(陶瓷体积分数和外形尺寸)对其谐振性能的影响。利用压电方程和均匀场理论得到了1-3-2型压电复合材料的各项等效性能参数,分析了复合材料结构参数对谐振性能的影响。制备了陶瓷体积分数和外形尺寸不同的两组1-3-2型压电复合材料样品,测量得到复合材料谐振频率随陶瓷体积分数和外形尺寸的变化数据。结果表明,当1-3-2型复合材料中陶瓷基底的体积百分比小于30%,1-3复合材料部分中陶瓷柱体积分数在30%~80%,且复合材料总体厚宽比小于阈值(这个阈值随陶瓷体积分数变化)时,其厚度谐振性能较好。另外,将实验结果与理论计算进行了比较,两者符合较好,验证了理论公式的正确性。     

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。     

压电粉体对1-3型压电复合材料的性能影响

用粉末-溶胶挤出法制备PZT压电纤维,以排列-浇铸法制备纤维体积分数为30%的1-3型压电复合材料.以热重-差热分析(TG-DSC)和扫描电子显微镜(SEM)研究了所得纤维的加热变化情况和表面形貌.测量计算压电陶瓷片与复合材料的压电常数、介电常数、机电耦合系数及机械品质因数.结果表明,纤维中的晶粒致密度越高,复合材料的压电与介电常数越高.复合材料的径向机电耦合系数(k_p)小于压电陶瓷片,厚度机电耦合系数(k_t)和k_t/k_p都大于陶瓷片.     

检测超声换能器用改性钛酸铅压电陶瓷材料

本文介绍了改性钛酸铅压电陶瓷材料的研制。通过配方筛选和改善工艺,得到了具有如下性能水平的改性钛酸铅系列压电陶瓷材料: 厚向机电耦合系数k_t 0.51—0.61 径向机电耦合系数k_p 0.07—0.36 介电常数∈ 250—300 机械品质因数Q_m 10—1000 其中,k_t为0.56;k_p为0.07;∈为230和Q_m为250的改性钛酸铅压电陶瓷材料用于研制检测超声换能器阵取得了满意的效果。     

各向异性压电陶瓷材料

本工作制备了添有少量Pb(Zn_(1/3) Nb_(2/3))O_3,Bi(Zn_(1/2) Ti_(1/2))O_3和MnO_2的高电阻率,高密度的改性(PbCa)TiO_3压电陶瓷。这种陶瓷在150℃和施加40—50kV/cm电场条件下极化之后显示出大的各向异性压电特性。它具有高的厚度扩张模式机电藕合系数Kt,高的机械品质因素Qm低的介电常数,而平面耦合系数Kp值极小。于是,这种新的压电材料适于制作高频陶瓷滤波器超声换能器,金属探伤检测器,以及声表面波器件等。     

1-3型水泥基压电复合材料在冲击载荷下的电学响应

采用切割-浇注法制备1-3型水泥基压电复合材料,并利用分离式霍普金森压杆测量装置(SHPB),对PZT5压电陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料在冲击载荷作用下的力电响应进行实验研究与分析。研究表明:在冲击载荷作用下,PZT5压电陶瓷和1-3型水泥基压电复合材料的电位移与应力具有较好的动态响应;在相同荷载作用下,两者的电位移随应变率的增加而增加,且产生相同应变所对应的应力值也随着应变率的增加而增加,表现出"率相关"的材料特征。     

压电陶瓷—金属复合体及其应用

叙述了压电陶瓷－金属复合体在压电复合材料中的地位、意义与基本结构；从正逆压电效应的角度，简明地论述了其基本原理；介绍了其在水声换能器、致动器、触觉传感器及加速度传感器方面的应用；指出了今后研究与开发的方向。     

组分材料特性对压电复合材料性能的影响

影响压电复合材料性能的因素有很多,主要应用有限元法分析了基体相以及压电相材料的材料特性对压电复合材料性能的影响。选用13型压电复合材料作为研究对象,压电相为PZT5H,环氧树脂作为基体相。研究结果表明:压电相及基体相的材料特性对压电复合材料的性能有着较大的影响。     

单腔结构压电陶瓷—金属复合体研究

研制出一种单腔结构压电陶瓷－金属复合体，该复合体不仅压电常数高，而且具有压电常数的位置依赖性小、制作更为简单、便于稳定地安装使用等优点。由实验研究得出了较佳尺寸的复合体，相应的有效压电应变常数为７８９０ｐＣ／Ｎ，为其中ＰＺＴ压电陶瓷压电应变常数的２４倍。     

NBT基无铅压电陶瓷滤波器

主要研究了用改性的(NaBi)0.5TiO3(NBT)基无铅压电材料制作的压电陶瓷滤波器。在研究过程中出现很多不同于以往的情况，这些一方面是由于NBT基材料与传统PZT基材料的介电性能有较大差异造成的，另一方面说明NBT基材料的压电性能较PZT基材料还有进一步提高的必要。