1-3型压电复合材料性能及声场特性分析

1-3型压电复合材料以其优异的性能,被广泛应用于换能器的制造。该文基于切割-填充法制备实验和仿真方法,对复合材料压电柱不一致性以及其对声场的影响展开研究。在仿真中发现压电柱高度、长度和宽度不一致性均会对压电复合材料声场及谐振频率产生影响,声场整体朝一侧偏转,旁瓣也随之偏转,聚焦位置的声压减小6.5%左右,同时压电复合材料侧面产生杂波。在实验中发现压电柱谐振频率具有不一致性,而压电柱尺寸较大的复合材料阻抗曲线向右偏移。该文结合仿真与实验方法,建立压电柱不一致与复合材料阻抗和声场的联系,为复合材料制备质量和性能分析提供新方法。

基于PMNT陶瓷的1-3型压电复合材料软模板法制备及其超声换能器研究

医用高频超声换能器广泛应用于人体及生物组织的精细结构成像。1-3型压电复合材料因具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗而成为高频超声换能器的核心材料。基于有限元计算和软模板法设计制备了高性能Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3)陶瓷/环氧树脂压电复合材料,并对材料进行了系统的电学性能测试。结果显示该1-3型压电复合材料具有优异的声学综合性能,其厚度伸缩模式机电耦合系数k t达到70.1%,其声阻抗Z a达19.05 MRayl。利用该材料制备了高频超声换能器,其-6 dB带宽达85%,插入损耗为17.7 dB。结果表明使用软模板法制备的压电复合材料具有适合于超声成像的优异的综合性能,有望促进高频超声换能器的商业化应用。

1-3型压电复合材料及其研究进展

１－３型压电智能复合材料是由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中而形成的两相压电复合材料．简述了１－３型压电智能复合材料形成及其材料结构构成变化的发展历程，并从理论分析、参数辨识、数值计算和试验方法四方面阐述了宏观等效特征参数的研究状况．在此基础上对现有的制备工艺技术的优缺点进行了比较，对声学、医学、控制、航空航天等已应用和可能应用的领域的现状和发展趋势进行了回顾和展望，最后建议了１－３型压电智能复合材料今后几个较为重要的研究方向．

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。

1-3型压电复合材料研究现状与展望

本文综述了近年来国内外1-3型压电复合材料的研究现状,并从理论模型、制备工艺、功能相体系的选择及其特点与应用等四个方面进行阐述,最后对其发展前景进行了展望。

具有初应力的1-3型压电复合材料的横向共振分析

1-3型压电复合材料在极化处理过程中会出现极化残余应力,基于线性压电理论,采用解析方法研究了极化残余应力对1-3型压电复合材料的横向共振模态的影响·首先建立含有初始应力的平面波波动方程,基于Bloch波函数理论构建了位移和电势函数,从而最终得到方程的解·数值结果表明初始残余应力的出现降低了复合材料的横向振动频率,而材料的压电性则使得横向振动频率提高·初始剪应力对对横向振动的频率影响较小,可以忽略·第一阶及第二阶振动频率将随着初始应力的大小呈线性变化·得出的结论对超声换能器的制作和研究将提供有意义的指导作用·

具有叉指式电极的1-3型压电复合材料层合板力电耦合行为的三维精确分析

基于三维弹性理论和压电理论,导出了含有1-3型压电复合材料层的有限长矩形层合简支板的静力平衡方程和边界条件,给出了该层合板在叉指式电极和外力共同作用下力电耦合特性的三维精确解.数值算例的计算结果与有限元解进行了对比,取得了很好的一致性.研究了压电矩阵各向异性和刚度矩阵各向异性以及电势等因素对其挠曲面扭率最大值的影响.数值结果表明层合板扭率最大值的绝对值随压电矩阵各向异性系数Rd的增大而增大并随刚度矩阵各向异性系数Rc的减小而增加.

背衬层对1-3型压电复合材料换能器性能的影响

本文制备了1-3型压电复合材料换能器,通过对比不同背衬层材料对换能器灵敏度的影响,得出用环氧树脂+钨粉时换能器具有较好的灵敏度;通过对比不同的封装材料对换能器灵敏度的影响,得出用环氧树脂为封装材料时比用金属材料为封装材料时要好。

基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析

为提高高频水声换能器的性能,提出了一种基于1-1-3型压电复合材料的带有梯形匹配层的水声换能器设计。应用有限元方法分析了有无匹配层对复合材料电性能、辐射端振动位移的影响。并研制了带匹配层和不带匹配层的2种水声换能器。测试结果显示引入匹配层使得水声换能器在谐振频率为360 kHz时最大发送电压响应达到169.4 dB,接收电压灵敏度为-190 dB,-3 dB下接收信号带宽最大可达70 kHz,最大声源级达到208 dB。发送电压响应比没有匹配层的换能器提高了3.8 dB、声源级提高了6 dB、接收带宽拓宽了1.45倍。

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。

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不断提升,系列1-3型压电复合材料衍生类设计也随之诞生。本文综述了国内外1-3型压电复合材料的研究进展,主要包含1-3型压电复合材料的结构与特性以及常用制备方法,详细分析了1-3型压电复合材料在结构和组成相方面的两种衍生类设计。最后对1-3型压电复合材料的问题与未来发展进行了总结和展望。

1-3型压电复合材料温度稳定性研究

采用聚醚砜(PES)和空心玻璃微珠(HGB)作为填料对环氧树脂进行改性,研究其对环氧聚合相力学和热学性能的影响,研究发现,PES和HGB填充量均为10%(质量分数)制备的环氧聚合相,剪切强度由39 MPa升高到52 MPa,热膨胀系数由8.8×10-5/K降低为5.8×10-5/K,材料力学和热学性能明显提高。以PZT-4为压电相,采用切割填充法制备PES和HGB填充量均为10%(质量分数)的1-3型压电复合材料,采用阻抗分析仪测定温度对其谐振频率fs和机电耦合系数kt的影响,结果表明,1-3型压电复合材料的fs为885 kHz,kt为0.65,材料的fs和kt在温度15~50℃范围内变化率≤1%,表现出良好的温度稳定性。

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。

1-3型压电复合材料宽带水声换能器研究

1-3型压电复合材料换能器具有重量轻、声阻抗率低等优点,复合材料换能器带宽的拓展一般采用匹配层的方法。采用厚度振动模态理论、横向模态理论和有限元方法对1-3型压电复合材料换能器进行研究,应用ANSYS软件建立换能器的有限元模型,然后进行结构优化,最终制作了一个利用厚度振动模态和一阶横向模态的13型压电复合材料宽带换能器,其工作带宽为190～390 kHz,发送电压响应起伏不超过±2dB。研究结果表明:利用厚度振动模态和一阶横向模态可以拓展1-3型压电复合材料换能器的带宽,同时也给出了一种高频换能器实现宽带发射的方法。

压电相体积分数对1-3型压电复合材料的性能影响

采用有限元软件仿真研究了不同的压电相体积分数对1-3型压电复合材料性能的影响,并进行了实验验证。结果表明:当压电相体积分数按照47%、52%、68%、74%、100%变化时,串联谐振频率和并联谐振频率均随压电相体积分数增大而增大;机电耦合系数在压电相体积分数为52%时获得最优值0.698;复合材料的频率常数、密度、纵波声速和声阻抗均随着压电相体积分数的增大而增大。有限元仿真与实验结果较为一致。该材料有望用于制备高性能的无损检测用超声换能器。

1-3型压电复合材料的制备及性能研究

采用塑性聚合物方法制备了掺Nb的PZT(PZT-5A)陶瓷纤维,且通过排列陶瓷纤维,灌注环氧树脂的方法制备了1-3型压电复合材料。研究了陶瓷纤维的结构,分析了1-3型压电复合材料密度和剩余极化随纤维体积分数Vc的变化关系。XRD表明PZT-5A陶瓷纤维为纯钙钛矿结构,SEM显示纤维结构致密,直径为250μm。1-3型压电复合材料的密度和剩余极化随纤维体积分数Vc的变化呈近似线性关系。Vc为85%时1-3压电复合材料的ε*t、anδ、kp、kt及Qm分别为638、1.74%、0.31、0.61及3.27,与PZT-5A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。

1-3型压电复合材料

1－3型压电复合材料是目前研究和应用得比较广泛的一种压电材料．本文简述了这种压电复合材料的理论模型、制作方法和实验结果；指出除了圆形PZT压电材料所具有的径向模和厚度模以外，1－3型压电复合材料还具有横向结构模．本文介绍了这种压电复合材料的特点，如低声阻抗、低介电常数、高静水压压电常数以及PZT相分布的可控制性等．这些特点有利于改善压电复合材料换能器的时间响应和空间响应．

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。

1-3型压电复合材料非均匀振动换能器的研究

通过调整1－3型压电复合材料换能器中压电相的分布，可以控制换能器辐射面上振动幅度和相位的分布，从而获得具有特殊性能的声场．作为辐射源表面振动速度等相位不等幅和等幅不等相位的两种典型情况，本文对边线高斯型换能器和Wesnel聚焦换能器进行了实验研究，讨论了其声场特性．

压电陶瓷相体积分数对1-3型压电复合材料性能的影响

研究了１－３型压电复合材料的静水压压电性能、声学性能及机电性能与压电陶瓷相体积分数φ之间的关系。ＰＺＴ棒作为压电相，截面为正方形；环氧树脂作为衬底材料。静水压压电常数（ｄｈ和ｇｈ）、静水压灵敏值ｄｈ·ｇｈ、机电耦合系数ｋｔ、机械品质因数Ｑｍ值等都与压电陶瓷相的体积分数有关。