球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料研究

管 弦，鮮曉軍,李洪平，劉振華,劉良芳，汪紅兵，王登攀

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

壓電復合材料通常由壓電陶瓷和高分子聚合物按一定的連通方式、體積或質量比，通過特定空間幾何分布復合而成。平面狀1-3型壓電復合陶瓷材料作為一種新型的功能材料，其具有聲阻抗低，與水和有機材料的聲阻抗匹配，機電轉換效率高及工藝制作簡單等優點，廣泛應用于超聲水聲換能器和傳感器的研制[1-3]。隨著蛙人載具、水下無人潛水器(UUV)等小型水下裝備的發展，艦艇及港口面臨的水下威脅日益嚴峻。為防御上述小型目標的威脅，要求用于港口防御的聲吶浮標等設備裝配高頻寬帶及寬波束的水聲發射換能器及其陣列，平面狀1-3型壓電復合材料不能滿足該類型器件的研制。由于球面狀1-3型壓電復合材料與換能器件在工作頻帶內具有模態單一，高頻時可實現寬波束等優點，隨著高頻、寬波束換能器及其陣列應用領域的不斷擴大，近年來球面狀1-3型壓電復合材料及換能器已成為新的研究熱點[4-9]。

1 球面狀1-3型壓電復合材料理論分析

球面狀 1-3型壓電復合材料由沿球面均勻分布的壓電陶瓷基元與聚合物組成，電極為球面的內、外表面，陶瓷柱的極化方向沿徑向方向(見圖1)，1-3型壓電復合材料陶瓷相的體積分數為v1。

圖1 球面狀1-3型壓電復合材料結構圖

由于球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料與平面狀1-3型壓電復合陶瓷材料空間分布相同，由此可采用平面狀1-3型壓電復合陶瓷材料來分析球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料的各種特性。1-3型壓電復合陶瓷材料的橫、縱向應變及電位移計算表達式為

(1)

(2)

(3)

式中：上標c，p及pc分別為陶瓷相、聚合物相及1-3型壓電復合材料；S，T分別為應變和應力張量；D和E為電位移和電場強度；εT，sE及d分別為恒應力下的介電強度、恒電場下的彈性柔順常數及壓電常數。

1-3型壓電復合陶瓷材料聲學特性厚度方向的機電耦合系數(kt)、聲阻抗(Z)及縱向聲速(vD33)的表達式為

(4)

(5)

(6)

式中ρ和cD33分別為1-3型壓電復合陶瓷材料的密度與短路剛度常數。

假設1-3型壓電復合陶瓷材料的等效厚度為t，由式(6)可計算出1-3型壓電復合陶瓷材料厚度方向共振頻率為

(7)

2 球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料有限元分析與試驗制作

根據理論設計與工程應用需要，對球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料進行了有限元設計與分析，有限元模型如圖2所示。運用ANSYS建模對其進行諧響應分析，其數值模擬導納曲線如圖3所示。根據理論設計的幾何尺寸，試驗制作了球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料，制作工藝采用切割填充平面壓電陶瓷彎曲成型制作而成，其工藝流程如圖4所示。試驗制作過程中，采用對外形尺寸為90 mm×5 mm的PZT-41型壓電陶瓷切割填充后彎曲成型。其中，有機物填充切縫寬為0.3 mm,彎曲成型后的曲率半徑為50 mm。圖5為試驗制作出的1-3型球面狀壓電復合材料試驗樣品，對試驗樣品進行了測試，測試的導納曲線如圖6所示。由圖4～6可知，球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料具有在工作頻帶內模態單一，寬頻帶等特性，可用于研制高頻寬波束水聲換能器件及其陣列。

圖2 1-3型壓電復合材料有限元模型

圖3 球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料導納仿真曲線

圖4 球面狀1-3型壓電復合材料切割填充彎曲成型工藝示意圖

圖5 球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料實物圖

圖6 球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料導納測試曲線

3 基于球面狀1-3型壓電復合材料換能器的仿真設計

為了驗證研制的球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料的聲學特性，利用1-3型壓電復合陶瓷材料的低聲阻抗、低機械品質因數(Q)值，高頻工作模態單一等優點，設計了基于球面狀1-3型壓電復合材料的高頻寬波束換能器。換能器由壓電復合材料、背稱、聚氨酯透聲橡膠等組成，其結構設計示意圖如圖7所示。根據設計尺寸，運用有限元ANSYS軟件仿真分析了換能器的導納曲線和發射電壓響應曲線，其理論計算曲線如圖8、9所示。由圖8、9可知，基于球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料設計的高頻水聲換能器在200～400 kHz頻帶內，只有單一諧振峰，最大發射電壓響應達165 dB，-3 dB帶寬近70 kHz，具有高頻工作時模態單一，寬帶及可實現寬波束輻射等特點，可廣泛應用于水下聲探測與三維成像等方面。

圖7 球面狀1-3型壓電復合材料的高頻寬波束換能器

圖8 球面狀1-3型壓電復合材料高頻寬波束換能器導納仿真曲線

圖9 球面狀1-3型壓電復合材料高頻寬波束換能器發射電壓響應仿真曲線

4 結束語

本文分析了球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料的壓電特性與聲學特性，并給出了相關參數的計算表達式。通過切割填充彎曲成型工藝路線，成功制作出了球面狀1-3型壓電復合陶瓷樣品，并進行了性能測試，試驗結果和仿真結果吻合較好。通過有限元仿真驗證了基于球面狀1-3型壓電復合材料設計的水聲換能器高頻工作時，具有模態單一，寬帶及寬波束輻射等特點，該換能器可廣泛應用于水下聲探測與三維成像等方面。