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型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析

通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料，并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT圆片制成活塞型换能器，经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析，得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT压电换能器的收发性能有明显改善。     

一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法

非均匀厚度1-3型压电复合材料可用于制作宽带压电换能器,已广泛应用于水浸无损探伤、声波测井以及超声成像等领域。为分析该换能器的振动及其性能,提出了一种并联振子等效电路模型,将非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器看成并联的谐振器阵列,采用三维厚度伸缩振动模型对单个谐振器单元进行理论分析,得出了非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器的阻抗计算公式;为验证该模型的正确性,设计并制作了一个平凹的1-3型压电复合材料换能器;实验结果显示,并联振子等效电路模型能准确的分析非均匀厚度1-3型压电复合材料片的性能。结果表明,非均匀厚度换能器带宽的主要是由压电片的厚度差异决定,研究结果可为非均匀厚度宽带换能器的设计提供参考。     

3-3连结复合压电换能器特性研究—(Ⅰ)在水中声学特性

本文介绍了3-3连结复合(PZT 与硅橡胶)压电换能器在水中的声学特性。较全面地测定了它的声学参数(包括发射导纳、发射电压响应、声场特性、换能器耦合、应电压、换能器标称带宽及电压接收灵敏度)并加以分析。该换能器有许多优点,且优于压电陶瓷。对一些不足之处也展开了讨论。     

球壳换能器电声效率测量方法研究

换能器电声效率是高强度聚焦超声系统治疗剂量预测的重要参数。基于平面扫描法、辐射力天平法和自易法测量球壳聚焦换能器的输出声功率,同时测量换能器激励电功率,计算得到换能器电声效率。以1.1MHz的球壳换能器为被测对象,平面扫描法的相对扩展不确定度为14.21%,辐射力天平法的相对扩展不确定度为5.82%,自易法的相对扩展不确定度为15.30%。3种方法测量所得电声效率偏差在4%以内,实验证明3种方法在测量球壳聚焦换能器的电声效率时具有较好的一致性。     

聚偏氟乙烯压电薄膜的实验研究

一、聚偏氟乙烯薄膜性能特点 聚偏氟乙烯(以下称为PVDF)薄膜为一种新型压电材料,在水声、超声、电声等领域中可与现有的PZT压电陶瓷取长补短,是压电材料领域新添的一员。 自从五十年代PZT压电陶瓷问世以来,三十多年中它始终在换能器材料中占主导地位,尽管PZT作为压电材料有着无可比拟的优点,但也存在着由陶瓷固有性能所带来的缺点和在换能器设计上的不便之处,如陶瓷的高密度和易碎性使大于10cm的水听器太厚、太重,而薄的器件     

PIMNT单晶弯曲圆盘换能器设计

新型弛豫铁电单晶材料铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体(Pb(In_1/2Nb_1/2) O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3) O₃-PbTiO₃, PIMNT)的压电系数是陶瓷材料的 6 倍以上,应变量高出压电陶瓷 10 倍以上,具有较高的机电耦合系数,压电性能优于传统 PZT 材料。文章将单晶材料应用于带空气腔的弯曲圆盘换能器中,利用 ANSYS 仿真软件优化换能器结构,确定换能器尺寸,设计制作 PIMNT 压电单晶换能器和PZT4压电陶瓷换能器,并进行了水池实验。换能器实测结果与仿真结果保持一致,单晶换能器的谐振频率为 2.85 kHz,最大发送电压响应为 136.3 dB。结果表明,相比于同尺寸的陶瓷换能器,将 PIMNT 压电单晶应用于弯曲圆盘换能器可降低谐振频率,提高发送电压响应,提升换能器的工作性能,为进一步改善单晶换能器综合性能提供参考。     

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。     

超声和水声用压电复合材料的研究进展

压电复合材料相比普通压电陶瓷具有高的灵敏度、低的声阻抗及良好的柔韧性等优点,是制作超声和水声换能器的首选材料.综述了1-3和3-3型压电复合材料的传统及最新制备工艺技术特点,概述了该研究领域的主要理论成果,重点介绍了有限元方法在压电复合材料研究中的应用,并总结了压电复合材料在超声和水声换能器件方面的研究进展.在此基础上提出了压电复合材料在器件应用中面临并亟待解决的几个问题.     

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。     

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.     

改性PZT/PVDF体系压电复合材料的介电和压电性能

采用复合材料模压工艺,制备了体积分数不同的改性PZT(含铌的钛锆酸铅)/PVDF(聚偏二氟乙烯)压电复合材料。采用扫描电镜对材料的形貌进行了分析,并利用HP4294A,Z-3A型准静态测试仪等系统地研究了改性PZT体积分数对材料介电、压电性能的影响。结果显示,在改性PZT体积分数为70%时,获得了性能优良的压电复合材料。在压电陶瓷高含量区(>0.5),部分压电陶瓷颗粒相互联接,形成了类似0-3(3-3)型复合连通形式,是复合材料获得优良压电、介电性能的主要原因。     

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。     

3-2型压电复合材料的静水压特性研究

基于压电复合材料的串并联理论以及等效参数理论,推导了3-2型压电复合材料的等效性能参数的计算公式,并针对PZT5/环氧树脂618构成的3-2型复合材料,将计算值与实验结果进行了比较,对理论公式进行了验证,结果表明二者吻合较好.应用理论公式对3-2型压电复合材料的压电性能进行了分析,得出3-2型压电复合材料比1-3型压电复合材料具有更高的静水压压电常数,同时确定了3-2型复合材料中压电陶瓷体积百分比的优选范围.     

PZT压电复合材料圆环性能仿真和制备

高频宽带全向换能器是水声换能器研究的发展方向,PZT压电复合材料圆环既能够水平全向发射和接收水声信号,同时又使换能器的带宽得到扩展。利用ANASYS有限元仿真软件对2-2型压电复合材料圆环结构进行模态仿真,得到带宽和结构尺寸的关系曲线。在仿真模拟的基础上,形成设计方案,将压电陶瓷圆环沿轴向方向均匀切割,把环氧树脂浇注于切槽,经打磨和被覆电极,制成2-2型压电复合材料圆环。对压电复合材料圆环的压电和介电性能进行测试,结果为谐振频率388k Hz,带宽11.2k Hz,声阻抗18.05Mraly,相对介电常数859,声速3200m/s,d33常数480 p C/N,振动位移89.5pm。该压电复合材料圆环适合做水平全向宽带换能器。     

声光偏折效应球壳型换能器聚焦焦点峰值声压的测量

利用声光偏折效应,设计了一种测量球壳型换能器辐射聚焦声场焦点峰值声压的简便实验方法.基于焦点峰值声压与最大光偏折量之间的理论关系,通过测定聚焦声场焦域的最大光偏折量,获得球壳型聚焦换能器的焦点峰值声压;采用有限元方法对聚焦换能器辐射声场进行数值分析.对比实验测量结果,发现二者相对误差为7.33%,符合较好.该实验方法在医疗超声快速校准方面具有广泛的应用前景.     

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°。     

一种超声手术刀推挽激励换能器的研究

设计了一种超声手术刀用的新型推挽激励换能器。它是在夹心式单晶堆压电超声换能器的经典构造基础上,把原先激励一组压电陶瓷晶片堆的方式,改为同时施加反相激励的前后两组晶堆。利用有限元方法,对该推挽激励换能器进行模态分析和频率响应分析。在相同大小的电压激励下,相对单晶堆换能器,推挽激励换能器可以获得更高的工作带宽和机电耦合系数,提高了换能器的电声转换效率。按照仿真结果加工推挽激励换能器,实现良好的动力学和电学特性,满足设计要求。     

软模板法制备高频超声换能器用1-3复合压电材料

医用高频超声成像技术广泛应用于皮肤、眼睛及血管壁等人体组织的精细结构成像。1-3复合压电材料因具有较高的机电耦合系数而成为高频超声换能器的核心材料。传统的机械切割-填充、等离子蚀刻等1-3复合材料制备方法成本高、效率低, 难以实现工业化制备。本研究提出一种新的基于软模板的高频复合材料制备方法, 在获得高机电耦合系数的同时, 实现高性能1-3复合压电材料的低成本制备。研究采用微米孔径的软模板实现PZT粉的浆料填充, 通过热压烧结获得均匀竖立的PZT陶瓷微柱阵列, 进而制备出PZT/环氧1-3复合材料。对复合材料进行系统的机电性能测试, 并利用不同方法对复合材料的微结构及其均匀性进行表征。结果表明, 软模板法可使压电微柱具有完整的相结构和较高的成分均匀性, 能够实现较高的胚体压缩率, 提高陶瓷微柱的致密度, 同时形成了微柱阵列且微柱直径可控制在70 μm。软模板法有利于在提高复合材料超声频率(30~50 MHz)的同时获得64%的高机电耦合系数, 为医用高频超声成像以及超声生物显微镜等应用提供了一种高效的1-3复合压电材料工业化制备方法。     

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.