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70μm。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。

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。

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。

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。

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。

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．

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·

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。

1-3型压电纤维复合材料结构参数对驱动性能的影响

采用有限元方法对1-3型压电纤维复合材料(Macro-fiber composites,MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明:分支电极中心距p一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电板结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍。较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,但夹持应力则相应降低。

基于ANSYS的1-3型压电纤维复合材料结构优化

采用有限元方法,对1-3型压电纤维复合材料macro-fiber composites(MFC)建立微机电模型,讨论了交叉指形电极关键尺寸、两相结构尺寸对驱动性能的影响。结果表明:分支电极中心距p一定时,取较大的分支电极宽度w可得到较大的自由应变和夹持应力;当分支电极宽度w不变时,随p/w的增加,自由应变增加而夹持应力减小;采用交叉指形电极结构可使1-3型压电纤维复合材料具有较高的横观各向异性,横向效应系数可提高2.3倍。较小的聚合物层厚度a、纤维截面尺寸c有助于提高压电纤维复合材料的驱动性能,较小的纤维间聚合物宽度b有助于提高压电纤维复合材料的自由应变,而同时夹持应力则相应降低。

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。

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。

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型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究

为解决压电陶瓷聚焦换能器阻抗高、带宽窄,电声转换效率低等问题,采用新型的1-3型压电复合材料作为聚焦超声换能器材料,设计并制作了一种新型的1-3压电复合材料壳式聚焦换能器。通过对新型换能器的频率特性,电声转换效率研究后和当前应用的PZT壳式聚焦换能器进行对比,证明了1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的阻抗较低,相对带宽达61%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的3.39倍,以及较高的电声转换效率η为54%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的1.68倍。将换能器实际声场检测结果与Matlab声场仿真结果进行对比研究,得出换能器具有较好的声场特性及聚焦效果。为高性能的聚焦换能器的实现提供了理论及实验基础。

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。