Падрыхтоўка п'езаэлектрычнага керамічнага / палімернага кампазітнага цыліндрычнага пераўтваральніка (1)

Рашот пераўтваральнікаў з'яўляецца ключавым кампанентам у гідраакустычнай сістэме. Гэта прылада, якая рэалізуе ўзаемнае пераўтварэнне электраакустычнай энергіі. Прадукцыйнасць пераўтваральніка і масіва пераўтваральнікаў у асноўным залежыць ад прадукцыйнасці, структуры і працэсу вытворчасці пераўтваральнага матэрыялу. У цяперашні час у большасці падводных акустычных пераўтваральнікаў у якасці матэрыялу для пераўтварэння энергіі выкарыстоўваецца п'езаэлектрычная кераміка з тытаната свінцу з тытаната свінцу (PZT), якая мае такія перавагі, як высокі электрамеханічны каэфіцыент сувязі, нізкія страты, зручнае выраб і нізкая цана. Аднак з-за высокага характарыстычнага імпедансу п'езаэлектрычнай керамікі, калі нагрузкай з'яўляецца вада або біялагічная тканіна, няпроста супаставіць нагрузку, страта адлюстравання П'езакерамічнае кольца на мяжы вялікае, а яго бакавое злучэнне моцнае. Такім чынам, датчык вібрацыі таўшчыні мае вузкую паласу частот, высокае значэнне Q, нізкую адчувальнасць і іншыя недахопы. П'езаэлектрычныя кампазітныя матэрыялы тыпу 1-3 маюць нізкі характарыстычны імпеданс, значэнне Q, дыэлектрычную пранікальнасць, бакавы каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння і высокі каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння з-за палімернай фазы. Ідэальны матэрыял для энергазберагальнай прылады. Былі вымераны характарыстыкі поршневых пераўтваральнікаў, вырабленых з п'езаэлектрычных кампазітных матэрыялаў аднолькавага памеру 1-3 і звычайных дыскаў PZT, а таксама атрыманы крывыя допуску і прапускання двух пераўтваральнікаў у паветры і вадзе. Гэта характарыстыка напружання, адчувальнасць прыёму і накіраванасць участкаў. І шляхам параўнальнага аналізу зроблена выснова, што п'езаэлектрычны пераўтваральнік з кампазітнага матэрыялу тыпу 1-3 мае значна палепшаныя характарыстыкі перадачы і прыёму ў параўнанні са звычайнымі п'езаэлектрычнымі пераўтваральнікамі PZT. Палепшаны п'езаэлектрычны кампазіт 1-3 (1-3-2) захоўвае выдатныя электраакустычныя характарыстыкі 1-3 П'езакерамічны кампазіт PZT5, які мае добрую стабільнасць тэмпературы і ціску, што вельмі падыходзіць для падрыхтоўкі падводнага акустычнага пераўтваральніка. У гэтым дакуменце выкарыстоўваецца п'езаэлектрычны кампазітны матэрыял 1-2-3 для распрацоўкі і вытворчасці цыліндрычнага падводнага акустычнага пераўтваральніка, а таксама вымярэння яго допуску, характарыстыкі напружання перадачы, адчувальнасці прыёму і накіраванасці.

Будова і падрыхтоўка п'езаэлектрычных кампазітаў

П'езаэлектрычныя кампазітныя матэрыялы вырабляюцца з 1-3 п'езаэлектрычных кампазітных матэрыялаў і п'езакерамічных падкладак, злучаных паслядоўна ўздоўж напрамку палярызацыі керамікі. Гэтая структура мае жорсткую п'езаэлектрычную керамічную апору паралельна і перпендыкулярна кірунку палярызацыі, якая з'яўляецца больш стабільнай, чым кампазітныя матэрыялы тыпу 1-3. Ён не толькі захоўвае ўсе перавагі 1-3 п'езаэлектрычных кампазітных матэрыялаў, але і няпроста дэфармуецца пры больш высокіх тэмпературах, а таксама мае лепшую тэрмаўстойлівасць і ўстойлівасць да знешніх уздзеянняў. П'езаэлектрычны кампазітны матэрыял падрыхтаваны працэсам рэзкі-запаўнення. У п'езаэлектрычнай кераміцы выкарыстоўваецца PZT-5A вытворчасці Інстытута акустыкі Акадэміі навук Кітая. Ён быў палярызаваны, калі выходзіў з завода. Аўтаматычная рэжучая машына выкарыстоўваецца для разразання паверхні перпендыкулярна восі палярызацыі п'езакерамікі ў двух перпендыкулярных адзін аднаму напрамках, захоўваючы пэўную таўшчыню падкладкі для фарміравання керамічнага шкілета. Палімер з адпаведнай колькасцю ацвярджальніка заліваецца ў керамічны каркас (гэта значыць эпаксідная смала WRS618, вырабленая Wuxi Resin Factory), а затым вакуумны эжекторны бурбалка вакуумуецца і отверждается пры пакаёвай тэмпературы для атрымання кампазітнага матэрыялу, які здрабняецца або разразаецца для фарміравання нарыхтоўкі. Быў сфарміраваны ўзор кампазітнага матэрыялу, і, нарэшце, паверхня ўзору была пакрыта электродам з дапамогай высокавакуумнага магнетроннага распыляльніка. З дапамогай апісанага вышэй працэсу былі падрыхтаваны два кавалкі 1-3-2 п'езаэлектрычнага керамічнага / палімернага кампазітнага ліста 40 мм * 40 мм * 10 мм. Шырыня керамічных слупоў і шырыня эпаксіднай смалы паміж слупамі складаюць адпаведна 0,9 і 0,45 мм, а таўшчыня П'езаэлектрычны цыліндр пераўтваральніка
 складае 1 мм. Уздоўж напрамку таўшчыні кампазітнага матэрыялу два кавалкі кампазітнага матэрыялу былі разрэзаны на 24 пласціны кампазітнага матэрыялу даўжынёй 10 мм, шырынёй 6,5 і таўшчынёй 10 мм. Былі вымераны рэзанансныя характарыстыкі кожнай п'езаэлектрычнай пласціны, і 18 з іх былі выбраны для вырабу дзвюх заменных пласцін. Вынікі вымярэння прадукцыйнасці кожнага элемента пераўтваральнікаў, узгодненасць прадукцыйнасці кожнага п'езаэлемента добрая, а яго рэзанансная частата амаль аднолькавая. На малюнку паказана крывая вымярэння адмітанса аднаго з элементаў масіва, дзе ўсе элементы масіва падобныя на яго. 

Будова і працэс вытворчасці п'езаэлектрычнага цыліндрычнага пераўтваральніка

3.1 Структура пераўтваральніка

Мноства 1-3-2 п'езаэлектрычных кампазітных матэрыялаў раўнамерна размешчаны ўздоўж акружнасці, утвараючы кругавы масіў для атрымання цыліндрычнага пераўтваральніка. Структура пераўтваральніка паказана на малюнку. У цяперашні час не знойдзены пераўтваральнік такой структуры. Ёсць адпаведныя справаздачы аб даследаваннях.

Кампазітны цыліндрычны п'езаэлектрычны пераўтваральнік складаецца з кампазітнага элемента, меднай падкладкі, кранштэйна і вечка. Васемнаццаць элементаў з кампазітнага матэрыялу PZT раўнамерна размешчаны ў пазах кальцавой меднай падкладкі па акружнасці, а ніжняя паверхня элементаў з кампазітнага матэрыялу прымацавана да меднай падкладкі з дапамогай токаправоднага клею. Такім чынам, медная падкладка можа не толькі размяшчаць элементы масіва, але і ўзмацняць вібрацыйнае зрушэнне. За кошт выкарыстання токаправоднага клею ніжні электрод кампазітнага элемента злучаецца з падкладкай, што спрашчае працэс падвядзення электрода. Такім чынам, ніжні электрод (сігнальная лінія) можа быць выведзены з унутранай бакавой сценкі падкладкі меднай трубкі і падлучаны да таго ж сігнальнага кабеля, што і кабель вала. Затым кранштэйн і кантавая вечка адпаведна заціскаюць і фіксуюць медную падкладку з двух бакоў. Падкладка, кранштэйн і канцавая вечка ізалююцца з дапамогай цвёрдай пенапластавай шайбы, а затым знешнія электроды п'езаэлементаў з кампазітнага матэрыялу злучаюцца з экранаваным провадам кааксіяльнага кабеля і герметызуюцца воданепранікальным злучэннем або водатрывалым клеем. Нарэшце, вузел змяшчаюць у форму і заліваюць паліурэтанам таўшчынёй каля 2 мм, каб сфармаваць воданепранікальны, гукапранікальны і герметычны пласт. З дапамогай апісанага вышэй працэсу былі эксперыментальна выраблены два ідэнтычныя цыліндрычныя пераўтваральнікі, а габарытныя памеры цыліндрычных пераўтваральнікаў пасля зборкі складалі 70 мм × 15 мм.