1-3系压电复合材料及水声换能器研究

【摘要】： 本文针对1-3系压电复合材料的结构组成、制备工艺、理论模型和谐振特性等进行了全面、细致的研究,并用1-3-2型压电陶瓷/聚合物复合材料制备了水声换能器及基阵,测量了换能器的相关性能。 介绍了1-3系(1-3型和1-3-2型)压电复合材料的结构和制备工艺,研究了利用切割-填充法制备1-3系压电复合材料的工艺流程,确定了制备过程中的典型工艺条件。研究了磁控溅射法制备1-3系压电复合材料电极的制备工艺,分析了两种金属(铜和银)在复合材料表面的沉积速率、两种金属电极的导电性能及附着力。 根据压电材料各项性能的测量方法,测量了1-3型和1-3-2型两种复合材料样品的各项性能,并分析、比较了两种复合材料的性能与结构的关系。实验研究了两种复合材料样品压电、介电性能参数随静水压力和垂向压力的变化情况,以及复合材料的温度稳定性,结果显示两种材料均具有较好的压力和温度稳定性。 将串并联理论、均匀场理论、混合定律和1-3型压电复合材料的研究结果用于1-3-2型复合材料宏观等效性能参数计算公式的推导,建立了1-3-2型压电复合材料的宏观等效性能理论模型,并将复合材料性能参数的理论计算与样品的测量结果进行了比较,对理论推导进行了验证,结果表明复合材料性能的计算值与实验结果吻合较好。 将方形薄片压电晶体振动模式的研究结果用于分析1-3系方形薄片压电复合材料,得到影响1-3系方形复合材料薄片厚度振动的主要干扰振动是轮廓振动模Ⅲ。利用复合材料的等效性能参数的计算公式,得到了复合材料厚度伸缩和轮廓伸缩模Ⅲ谐振频率的计算公式,通过理论和实验分析了复合材料的内部结构参数和外形尺寸对其谐振性能的影响,得到了具有较纯厚度振动模的方形薄片1-3-2型压电复合材料的最佳厚宽比范围,为压电复合材料的研究和制备提供了理论参考。 利用1-3-2型压电复合材料设计、制作了谐振频率在300kHz左右的平板式换能器及基阵。测量了换能器及阵的相关性能,得到了不同阵形的指向性。设计、研制了谐振频率在72kHz的圆柱型1-3-2复合材料水声换能器,测量了换能器的发射响应、接收灵敏度及指向性,分析了换能器结构对其性能的影响。