تحضير محول الطاقة الأسطواني المركب من السيراميك والبوليمر الكهرضغطي (1)

مجموعة محولات الطاقة هي المكونات الرئيسية في نظام السونار. إنه جهاز يحقق التحويل المتبادل للطاقة الكهربائية الصوتية. يعتمد أداء محول الطاقة ومجموعة محولات الطاقة بشكل أساسي على الأداء والهيكل وعملية التصنيع للمادة المحولة. في الوقت الحاضر، تستخدم معظم محولات الطاقة الصوتية تحت الماء السيراميك الكهرضغطي من تيتانات زركونات الرصاص (PZT) كمواد لتحويل الطاقة، والتي تتميز بمزايا معامل الاقتران الكهروميكانيكي العالي، والخسارة المنخفضة، والتصنيع المريح، والسعر المنخفض. ومع ذلك، نظرًا للمقاومة المميزة العالية للسيراميك الكهرضغطي، عندما يكون الحمل عبارة عن ماء أو نسيج بيولوجي، ليس من السهل مطابقة الحمل، وفقدان الانعكاس الحلقة الخزفية الانضغاطية في الواجهة كبيرة، والاقتران الجانبي قوي. ولذلك، يتم تجهيز محول اهتزاز السمك بنطاق تردد ضيق، وقيمة Q عالية، وحساسية منخفضة وأوجه قصور أخرى. تتميز المواد المركبة الكهرضغطية من النوع 1-3 بممانعة مميزة منخفضة، وقيمة Q، وثابت العزل الكهربائي، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي الجانبي، ومعامل الاقتران الكهروميكانيكي عالي السمك بسبب طور البوليمر. مادة مثالية لجهاز توفير الطاقة. تم قياس أداء محولات الطاقة المكبسية المصنوعة من نفس الحجم 1-3 مواد مركبة كهرضغطية وأقراص PZT عادية، وتم الحصول على منحنيات القبول وانتقال محولي الطاقة في الهواء والماء. إنها استجابة الجهد وحساسية الاستقبال ومؤامرات الاتجاه. ومن خلال التحليل المقارن، تم التوصل إلى أن محول الطاقة من المواد المركبة الكهروضغطية من النوع 1-3 يتمتع بأداء إرسال واستقبال محسن بشكل كبير مقارنة بمحولات الطاقة الكهرضغطية العادية PZT. يحتفظ المركب الكهروضغطي المحسن 1-3 (1-3-2) بالخصائص الكهربائية الصوتية الممتازة للـ 1-3 مركب سيراميك بيزو PZT5 ، يتمتع بثبات جيد في درجة الحرارة والضغط، وهو مناسب جدًا لإعداد محول الصوت تحت الماء. يستخدم هذا البحث مادة مركبة كهرضغطية 1-2-3 لتصميم وتصنيع محول طاقة صوتي أسطواني تحت الماء، وقياس قبوله، واستجابة جهد الإرسال، وحساسية الاستقبال، والاتجاهية.

هيكل وإعداد المركبات الكهرضغطية

المواد المركبة الكهرضغطية مصنوعة من 1-3 مواد مركبة كهرضغطية وركائز سيراميكية انضغاطية متصلة في سلسلة على طول اتجاه استقطاب السيراميك. يحتوي هذا الهيكل على دعم سيراميك كهروضغطي صلب بالتوازي وعمودي على اتجاه الاستقطاب، وهو أكثر استقرارًا من المواد المركبة من النوع 1-3. إنها لا تحتفظ فقط بجميع مزايا 1-3 مواد مركبة كهرضغطية، ولكن أيضًا ليس من السهل أن تتشوه في درجات الحرارة المرتفعة، ولها مقاومة أفضل للحرارة ومقاومة للتأثيرات الخارجية. يتم تحضير المادة المركبة الكهرضغطية من خلال عملية تعبئة القطع. يستخدم السيراميك الكهرضغطي PZT-5A الذي أنتجه معهد الصوتيات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم. لقد تم استقطابه عندما يغادر المصنع. يتم استخدام آلة قطع أوتوماتيكية لقطع السطح المتعامد مع محور الاستقطاب للسيراميك الضغطي في اتجاهين متعامدين مع بعضهما البعض، مع الاحتفاظ بسماكة معينة من الركيزة لتشكيل هيكل خزفي. يتم صب بوليمر مع كمية مناسبة من عامل المعالجة في الإطار الخزفي (أي راتنجات الإيبوكسي WRS618 التي ينتجها مصنع Wuxi الراتنج)، ثم يتم إخلاء فقاعة القاذف الفراغي ومعالجتها في درجة حرارة الغرفة لصنع مادة مركبة، والتي يتم طحنها أو قطعها لتشكيل الفراغ. تم تشكيل عينة من المادة المركبة، وأخيراً، تمت تغطية سطح العينة بقطب كهربائي باستخدام جهاز الرش المغنطروني عالي الفراغ. باستخدام العملية المذكورة أعلاه، تم تحضير قطعتين من 1-3-2 لوح مركب من السيراميك/البوليمر كهرضغطية بأبعاد 40 مم * 40 مم * 10 مم. عرض الركائز الخزفية وعرض راتنجات الايبوكسي بين الركائز 0.9 و 0.45 ملم على التوالي، وسمك الدعامات محول اسطوانة كهرضغطية
 هو 1 ملم. على طول اتجاه سمك المادة المركبة، تم قطع قطعتين من المادة المركبة إلى 24 رقاقة من المواد المركبة بطول 10 مم، وعرض 6.5، وسمك 10 مم. تم قياس أداء الرنين لكل رقاقة كهرضغطية، وتم اختيار 18 منها لصنع رقاقتين بديلتين. نتائج قياس الأداء لكل عنصر من عناصر محولات الطاقة، واتساق الأداء لكل عنصر بيزو جيد، وتردد الرنين الخاص به هو نفسه تقريبًا. يوضح الشكل منحنى قياس القبول لأحد عناصر المصفوفة، حيث تتشابه جميع عناصر المصفوفة معه. 

هيكل وعملية تصنيع محول الطاقة الأسطواني الضغطي

3.1 هيكل محول الطاقة

يتم ترتيب عدد وافر من المواد المركبة الكهرضغطية 1-3-2 بشكل موحد على طول المحيط لتشكيل مصفوفة دائرية لإنتاج محول طاقة أسطواني. يظهر هيكل محول الطاقة في الصورة. في الوقت الحاضر، لم يتم العثور على محول الطاقة لهذا الهيكل. هناك تقارير بحثية ذات صلة.

يتكون محول الطاقة الكهرضغطية الأسطواني المركب من عنصر مركب، وغطاء نحاسي، وقوس ولوحة غطاء. يتم ترتيب ثمانية عشر عنصرًا من مادة PZT المركبة بالتساوي في أخاديد الدعامة النحاسية على شكل حلقة على طول المحيط، ويتم لصق السطح السفلي لعناصر المواد المركبة بالدعامة النحاسية باستخدام مادة لاصقة موصلة. بهذه الطريقة، لا يمكن للدعامة النحاسية تحديد موقع عناصر المصفوفة فحسب، بل يمكنها أيضًا تحسين إزاحة الاهتزاز. نظرًا لاستخدام الروابط اللاصقة الموصلة، يتم توصيل القطب السفلي للعنصر المركب بالدعامة، مما يبسط عملية توصيل القطب الكهربائي. بهذه الطريقة، يمكن إخراج سلك القطب السفلي (خط الإشارة) من الجدار الجانبي الداخلي لظهر الأنبوب النحاسي وتوصيله بنفس كابل الإشارة الخاص بكابل العمود. بعد ذلك، يتم تثبيت الدعامة والغطاء النهائي على التوالي وتثبيت الجزء الخلفي النحاسي من الاتجاهين. يتم عزل الدعامة والقوس والغطاء النهائي بغسالة رغوية صلبة، ثم يتم توصيل الأقطاب الكهربائية الخارجية لعناصر بيزو المواد المركبة بالسلك المحمي للكابل المحوري، ويتم إغلاقها بمفصل مانع لتسرب الماء أو غراء مقاوم للماء. أخيرًا، يتم وضع التجميع في قالب، ويتم صب مادة البولي يوريثين بسمك حوالي 2 مم لتكوين طبقة مقاومة للماء ونفاذية الصوت ومانعة للتسرب. باستخدام العملية المذكورة أعلاه، تم تصنيع محولين أسطوانيين متطابقين تجريبيًا، وكانت الأبعاد الكلية لمحولات الطاقة الأسطوانية بعد التجميع 70 مم × 15 مم.