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。

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。

一种改进型1-3-2压电复合材料的研究

高质量的压电换能器需要具备较高的机电耦合系数和灵敏度。该文在传统型1-3-2压电复合材料的基础上提出了一种改进型1-3-2压电材料,提高了压电换能器的机电耦合系数和换能器的接收灵敏度。通过有限元仿真分析了不同间距对改进型1-3-2压电材料敏感元件的谐振频率、反谐振频率及机电耦合系数的影响,并与传统1-3-2型压电复合材料进行了对比。结果表明,与传统型1-3-2压电复合材料相比,在相同间距条件下,改进型压电材料的机电耦合系数约大0.03。制做的3种不同间距改进型压电材料表明,间距为1 mm的改进型压电材料的机电耦合系数较大,约为0.68。

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。

3-2型陶瓷-空气复合材料振动状态的研究

3-2型陶瓷-空气复合材料是在1-3型压电复合材料的结构基础上改进而来。3-2型压电材料由PZT-5A和空气复合而成。首先使用ANSYS有限元仿真软件的模态分析研究了3-2型压电复合材料做厚度伸缩振动。其次通过谐响应分析了敏感元件在正弦信号激励下的稳态响应,讨论了压电材料陶瓷体积分数对其振动特性的影响,研究了不同体积分数压电陶瓷材料在厚度振动谐振频率下的振动位移。最后通过实验制备了3-2型压电材料的实物样品,使用激光测振仪测量压电振子的振动状况,并对仿真数据进行验证。结果表明,在正弦信号激励下,3-2型复合材料的振动模态为厚度伸缩振动,振动位移最大值为3.840 nm(单位电压下),陶瓷体积占比的变化不会对振动位移产生太大影响。

改性1-3型压电复合材料理论模型与仿真

针对高机电耦合系数和曲面换能器的应用需求,该文提出一种由压电陶瓷、环氧树脂和硅橡胶三相复合的改进1-3型压电复合材料,基于Newnhams串、并联分析对复合材料的理论模型进行了推导,并利用Matlab进行了数值计算,分析了改性1-3型复合材料的结构参数对厚度机电耦合系数、等效密度和厚度频率常数的影响。结果表明,陶瓷-环氧复合相的体积分数为0.2~0.5,陶瓷-环氧复合相中的压电陶瓷体积分数为0.6~0.7时,改性1-3型压电复合材料的性能参数较好;利用ANSYS软件对复合材料进行了有限元仿真,将仿真结果与理论计算进行了对比,二者具有较好的一致性,验证了理论模型评估材料性能的准确性。

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。

1-3-2型弧形压电陶瓷复合材料与换能器研究

分析了1-3-2型弧形压电陶瓷复合材料的压电特性与声学特性,给出了相关参数的计算表达式.采用切割弧形压电陶瓷并填充有机物的方法,制作了1-3-2型弧形压电陶瓷复合材料,并进行了性能参数测试.利用研制的1-3-2型弧形压电陶瓷复合材料制作了水声换能器并在标准消声水池中对电性能指标进行了测试.结果表明:弧形1-3-2型压电复合材料及其换能器件,在工作频带内具有模态单一,不易发生变形,高频时可实现宽波束发射以及制作工艺简单等优点.

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。

基于类1-3-2型压电复合陶瓷夹心式换能器性能的研究

研究并设计了类1-3-2型压电复合材料与基于此材料的夹心式换能器,分析了类1-3-2型压电复合材料的频率特性和夹心式换能器的频率方程。利用切割法制作类1-3-2型压电复合材料,并采用该材料制作了夹心式换能器并进行了实验验证。研究表明:该型换能器可实现拓宽夹心式换能器工作频带,有效抑制杂散模态以及改善位移分布,可应用于大功率超声与水下大功率发射器。

1-3型球形压电陶瓷复合材料换能器设计

利用有限元软件仿真设计了一种1-3型球形压电陶瓷复合材料换能器。采用切割-灌注-成型的方法,制备了1-3型球形压电陶瓷复合材料。利用研制的1-3型球形压电陶瓷复合材料制作球形换能器,并进行性能测试。结果表明,换能器的最大发射电压响应可达156 dB,-3 dB波束角可达44°,可实现高频宽波束发射。

1-3-2压电复合材料机电理论分析和频率仿真

该文研究了1-3-2压电复合材料的厚度振动谐振频率与尺寸的关系。应用压电学和弹性动力学理论建立了机电等效图,对1-3-2压电复合材料的厚度振动模态进行了机电理论分析,并对其谐振频率进行了计算。利用有限元仿真软件分析了在厚度振动模态下,1-3-2压电复合材料谐振频率、反谐振频率与尺寸变化的关系。结果表明,纵向尺寸比变大时,频率曲线呈下降趋势;横向尺寸比变大时,频率曲线呈上升趋势;横纵尺寸比变大时,频率曲线呈缓慢下降趋势;基底厚度变大时,频率曲线呈先减小后增大趋势。4种情况中,纵向尺寸比对于整体的谐振和反谐振频率影响最显著。

1-3型水泥基压电复合材料的制备及性能

采用切割-浇注法,以硫铝酸盐水泥为基体,制备了1-3型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3型水泥基压电复合材料的制备过程;研究了0.375Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.375PbTiO3-0.25PbZrO3压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料的压电性能、介电性能和声阻抗的影响。结果表明:压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料性能有很大影响,随着w/t的增加,其压电应变常数d33、机电耦合系数Kp与Kt、机械品质因数Qm、介电常数rε和介电损耗tanδ均随着w/t的增加而减小,而压电电压常数g33值几乎不受w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下,调节压电陶瓷柱的宽厚比w/t至0.130,可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近,从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。

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型水泥基压电复合材料传感器的性能

以1-3型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。结果表明:当加载频率小于5 Hz时,所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大,但当加载频率大于5 Hz时,所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关;传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性,其输出电压与复杂载荷、随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系,且与输入载荷基本同步,不存在滞后现象,试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。

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．

1-3-2型压电复合材料的研制

基于Newnham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。

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。

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。

基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器研究

对基于类1-3-2型压电复合材料的高频相控阵换能器进行了理论分析和实验研究。通过切割与填充去耦材料制作类1-3-2型压电复合材料,并对类1-3-2型压电复合材料的基元进行布阵,在二维方向上形成4个子阵。通过对子阵适当相移,抑制主瓣和保留栅瓣,在空间上形成所需的发射与接收波束。实现了通过一个多元平面阵列形成4个所需的指向性波束,测速时避免了声学补偿。与传统使用4个活塞型收发换能器形成指向性波束的方法相比,相控阵换能器的几何尺寸显著减小。研究结果表明,基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器具有高发射响应,宽频带,波束一致性好,结构紧凑,制作工艺简单可靠等优点。