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用于医学超声的1-3型压电复合材料性能的有限元研究

解妙霞  
【摘要】:压电材料在医学超声诊断中扮演着至关重要的角色,它们构成了换能器的核心。把电激励脉冲转换成发射到人体软组织的声束。检测由器官表面和内部结构反射回来的微弱的回声信号。压电材料必须具备以下几个要求:区分激励和接收的电信号,完成电能和机械能之间的相互转换,将强脉冲声波发射进组织,搜集微弱的回声信号,对每个角色,都需要设备工程师们来调整材料的特性,调节电阻抗,提高机电耦合系数,调节声阻抗使之接近人体组织,做适当形状的换能器以聚焦声束。单个材料设计不能同时优化所有的材料属性,材料工程师们面临着具有挑战性的工作:对每一个特殊的设备确定特定的材料。 由压电陶瓷和高分子聚合物构成的复合材料,由于其声阻抗低,横向耦合弱,机电耦合强等优点,已应用于医学超声探头,且其应用日益广泛。按照压电陶瓷和聚合物的连接方式,可将压电复合材料分为10种类型。其中,1-3型压电复合材料是指将一维自连的陶瓷相埋置于三维自连的聚合物基体中。目前,1-3型压电复合材料主要采用切割填充工艺制备。由于这种工艺制备的1-3型压电复合材料易于批量生产,因此目前广为采用。 由于1-3型压电复合材料由两相组成,所以它的性能参量不仅取决于两种组分的参量,还依赖于其几何结构,材料的优化设计远较单一组分宏观均匀的压电陶瓷复杂。影响1-3型压电复合材料性能的主要因素有:压电陶瓷相的体积百分比,压电陶瓷柱的性能及空间尺寸,基体相的性能和复合材料的加工工艺及极化工艺等。分析上述因素对1-3型压电复合材料压电特性的影响规律对制作高灵敏度的压电(复合材料)换能器有着非常重要的意义。进行1-3型压电复合材料的性能分析,一般有三种方法:解析法、有限元法和实验法。解析法一般是建立在大量的假设之上,跟实际结果有较大出入;而由于材料本身特性的限制以及实验条件的局限性,应用实验方法进行压电复合材料分析在实际应用中受到很大的限制。 有限元作为一种广泛应用于解决实际问题的数值方法,将其引入压电复合材料研究中具有重要意义。本文的主要研究内容为: 一、概述了医用超声换能器材料的发展史及压电复合材料的发展简史、1-3型压电复合材料的原料和该材料的制备方法以及1-3型压电复合材料的分析方法。 二、介绍了有限元法及其软件ANSYS在压电复合材料分析中的理论和应用,


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