高频宽波束压电复合材料及换能器性能研究

发布时间：2020-09-02 20:48

　　 1-3球冠形压电复合材料既继承了平面型压电复合材料声阻抗数值低、瞬态响应级数高以及机电耦合系数大等特点,又可以在水平方向与垂直方向实现高频、大开角发射,并且由其制备的水声换能器声信号传播距离远、信号强度高,在有效辐射面内能满足宽波束发射的要求,对海洋监测与资源的开发具有十分重要的意义。本文通过有限元模型对1-3球冠形压电复合材料内部的结构参数与其机电性能和振动模态等性能之间的相关性进行了深入的研究,采用改进的排列-浇注法制备了1-3球冠形压电复合材料并将实验结果与理论相结合。结果表明:实验结果能够有效的验证有限元结果。PZT体积分数增大时,1-3球冠形压电复合材料的ε_r与d_(33)呈现增大趋势,而tanδ与g_(33)逐渐减小,同时谐振频率和谐振点电导峰值均增大。随着PZT宽高比的增大,1-3球冠形压电复合材料的ε_r逐渐减小,tanδ逐渐增大,但谐振频率和压电性能的变化程度十分微弱。1-3球冠形压电复合材料的介电、压电性能与谐振频率不受PZT柱基元个数影响,但基元个数数量增多使得谐振点电导峰值增大。在-20~oC-60~o C的环境温度范围内,1-3球冠形压电复合材料具有较好的温度稳定性。在利用化学镀方法对压电复合材料表面施镀电极的过程中,当施镀温度为40~oC,施镀时间为9min-11min时,镀层表面电极最致密、匀和,电极厚薄最合适,性能最好。对1-3球冠形水声换能器建立有限元模型并系统的研究了其结构参数与其指向性以及发射电压响应性能之间的相关性,随后以1-3球冠形压电复合材料为功能元件制备了1-3球冠形水声换能器,并将实验结果与理论相结合。结果表明:1-3球冠形水声换能器的-3 dB开角均远远大于平面型水声换能器;随着PZT体积分数的增加,1-3球冠形水声换能器在水平与垂直方向开角与发射电压响应峰值逐渐增大。当PZT体积分数为70.6%时,水声换能器-3 dB开角与发射电压响应峰值达到最大值,性能最佳;PZT柱宽高比对于换能器指向性性能影响较小,水声换能器水平与垂直方向-3 dB开角指向性均大于30~o,当PZT柱宽高比为0.57时,换能器指向性最好,发射电压响应曲线最为稳定。
【学位单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

压电复合材料,平面,方式,压电陶瓷

图 1.1 平面压电复合材料的十种连通方式在这十种模型中，应用最普遍、影响最深远、的是平面 1-3 型压电复合压电陶瓷柱压电陶瓷包覆于聚合物基体内部并以一维连通的方式平行嵌入维连通的非压电相基体中形成平面 1-3 型压电复合材料。由于作为非压电相的聚合物具有较高的吸声系数与粘滞系数，因此在压电陶瓷产生压电效应时以有效的阻止声信号在压电陶瓷径向方向的传播，达到抑制径向振动、增强厚度振动模态的目的。另外平面 1-3 型压复较其它类型的压电复合材料不仅声阻抗低、Qm值高等优点，还具有 PZT 等无可比拟的柔软性，能够加工成求的各种形状，并通过调节其内部压电相与基体相的体积分数实现控制其性目的[21]。正是基于以上的亮点，平面 1-3 型压电复合材料成为了科学研究热一。压电复合材料内部压电效应首先是由居里兄弟在 1880 年通过电气石发

分析流程

图 1.2Ansys 分析流程图研究内容有限元分析，研究PZT体积分数、宽高比以及基压电复合材料的机电性能和振动模态等性能的相换能器的指向性与发射电压响应；改进的排列-浇注法制备 1-3 球冠形压电复合材料元个数以及环境温度与其压电、介电、谐振频率讨，并与结果进行对比分析；3球冠形压电复合材料作为功能元件制备了水声换分数、宽高比对换能器指向性与发射电压响应的换能器性能之间的相关性，为换能器的应用研究

球冠,压电复合材料,制备流程,背衬

图 2.1 1-3 球冠形压电复合材料制备流程图3 球冠形水声换能器的制备-3 球冠形压电复合材料为功能元件，通过匹配背衬层并灌注聚了几何尺寸为75mm×75mm、球冠开角为39°的1-3球冠形水声步骤如下所示：配背衬层。以聚氨酯硬质泡沫为背衬层，将 1-3 球冠形压电复将两条导线引向底座中央。将背衬层通过粘接剂固定于中间导线从中引出，置于模具之中。制封装材料。对模具涂抹脱模剂，将聚氨酯、色浆与固化剂分取适量并充分搅拌。边搅拌边抽真空处理，并使温度稳定于 8注。将模具平放在试验台，将封装材料缓慢注入模具，直至封

【参考文献】