面向水声换能器的压电单晶复合材料设计研究

发布时间：2021-06-18 13:10

　　压电单晶复合材料具有高压电常数、高机电耦合系数和高水声优值的优点,是制备下一代高性能水声换能器的关键材料。不同类型水声换能器对压电材料的性能要求不同,如何根据器件的具体应用需求,对压电单晶复合材料的结构和性能进行设计具有重要的意义。为了能够准确选取压电单晶复合材料中压电相与聚合物相两相材料特性、体积分数、宽高比等参数,本文提出了一种将解析模型与数值模型相结合的综合设计方法。实验结果证实,该方法可以准确高效地预测1-3型压电单晶复合材料的振动模态及宏观等效性能参数,实现以器件性能为指导的压电单晶复合材料设计。 

【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(06)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

压电单晶复合材料各项宏观等效性能参数随压电相体积分数的变化规律(a)压电常数d31、d33和静水压压电电荷常数dh;(b)介电常数ε33、机电耦合系数kt、声阻抗Z;(c)压电电压常数g33、水声优值d33·g33、静水压压电电压常数gh、静水压灵敏优值dh·gh。其中,实线“—”表示解析解,散点表示数值解

作为解析法的有效补充,利用数值模型对复合材料进行设计的方法可推广至不同形状(如平面状、曲面状、球冠状、弧线状)、不同种排列方式(如非均匀、不规则排列)、各种压电小柱形状参数(如方形、三角形、六边形)的压电单晶复合材料的设计,准确高效地确立压电单晶复合材料的最优结构参数。图4 200 kHz～1 MHz频率范围内,1-3型压电单晶复合材料的阻抗-频率特性曲线,图中圆圈状点画线代表实验测试曲线,实线代表数值仿真曲线

1-3型压电单晶复合材料的结构示意图如图1(a)所示,压电单晶小柱平行排列于环氧树脂基体中,压电单晶复合材料与Z轴垂直的上、下表面被覆金属电极,柱宽为a,周期为d,压电相的体积分数可表示为v=a2/d2。利用有限元软件ANSYS,为便于计算,建立1/4周期有限元模型,如图1(b)所示,分析1-3型压电单晶复合材料的性能。通过模态分析、谐响应分析分别得出1-3型压电单晶复合材料的振动模态、谐振频率和阻抗频谱,通过静态分析分别提取模型各个单元的单元体积、单元应力、单元电位移、单元电场,采用体积加权平均的方法[15]计算可得1-3型压电单晶复合材料的各项宏观等效性能参数。

【参考文献】：
硕士论文
[1]用于医学超声的1-3型压电复合材料性能的有限元研究[D]. 解妙霞.陕西师范大学 2006



本文编号：3236719