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。     

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。     

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。     

基于1-3压电复合材料的透镜式聚焦换能器设计

为了抑制压电陶瓷透镜式聚焦换能器振动的多模耦合现象,提高换能器电声转换效率,采用1-3压电复合材料,设计了一种新型的透镜式聚焦换能器;首先计算并仿真了1-3压电复合材料的厚度谐振频率ft和厚度机电耦合系数kt,理论和仿真结果分别相差2.947％和0.933％;接着对换能器做振动分析,结果表明,在换能器谐振频率ft处,声透镜中心径向振幅仅为厚度振幅的7.9％,径向振动得到有效抑制,这有助于提高换能器电声转换效率.     

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。     

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．     

基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。     

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。     

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。     

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。     

宽频带径向极化压电圆管水声换能器研究

利用径向极化的压电圆管制作了一种便携式宽频带换能器。依据薄膜理论模型,分析了压电圆管的振动特性,主要应用有限元法对其进行优化设计,并给出了薄膜理论、有限元法和试验数据的一个对比,结果表明:有限元法设计准确,研制的宽频带换能器满足实际应用的要求。     

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。     

球面状1-3型压电复合陶瓷材料研究

该文设计并制作了球面状1-3型压电复合陶瓷材料及对其压电特性、声学特性与制作工艺进行了分析和研究,给出了相关参数的计算表达式并对其性能参数进行了测试。仿真分析了球面状1-3型压电复合材料换能器的阻抗特性和发射响应特性。结果表明,球面状1-3型压电复合陶瓷材料具有在工作频带内模态单一,高频工作时宽波束等优点,可广泛应用于水声探测与成像发射换能器及其阵列的研制。     

褶皱型复合式压电换能结构的建模及分析

主要针对现有的Rainbow型和折叠型压电换能结构的不足,提出一种新型的具有较大变形能力,坚固的压电换能结构,即褶皱型复合式压电换能结构。主要对3种结构进行对比及对褶皱型复合式压电换能结构进行理论建模,并在理论上对褶皱型压电换能结构的参数对电势的影响进行分析。利用ANSYS有限元分析软件进行仿真分析,在相同条件下对比3种结构的变形,以及验证理论分析结果的正确性。     

Cymbal型压电换能器等效压电常数影响因素分析

通过对Cymbal换能器压电陶瓷片受力分析,给出了其压电方程的边界受力约束条件,建立了Cymbal型压电换能器等效压电常数de33函数模型。模型计算结果与试验结果吻合。并利用该模型,分析了Cymbal换能器几个关键参数对等效压电常数de33的影响规律。     

0-3型水泥基压电复合材料有限元分析与优化

用ANSYS有限元软件对纯压电陶瓷(PW)及0-3型水泥基压电复合材料(PCM0)依次进行静力、模态、谐响应及瞬态动力特性力-电耦合场分析,并以PCM0半径(Rc)和厚度(Hc)为变量对进行材料量优化设计。相比PW,PCM0垂直于极化方向的电位移增大10.9%,使压电应变常数增大;响应频率减小,呈稳态响应特性;水泥掺入对PCM0迟滞效应影响可接受。PCM0最优材料用量对应的Rc、Hc分为5.1mm、0.76mm。     

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.     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。