Příprava piezoelektrického keramického / polymerního kompozitního válcového měniče (1)

Pole snímačů jsou klíčové součásti sonarového systému. Jedná se o zařízení, které realizuje vzájemnou přeměnu elektroakustické energie. Výkon převodníku a pole převodníků závisí především na výkonu, struktuře a výrobním procesu snímacího materiálu. V současné době většina podvodních akustických měničů, které používají piezoelektrickou keramiku zirkoničitan titaničitý (PZT) jako materiál pro přeměnu energie, který má výhody vysokého elektromechanického vazebního koeficientu, nízkých ztrát, pohodlné výroby a nízké ceny. Vzhledem k vysoké charakteristické impedanci piezoelektrické keramiky, kdy je zátěží voda nebo biologická tkáň, však není snadné zátěž přizpůsobit, ztráta odrazu piezokeramický kroužek na rozhraní je velký a jeho boční spojení je silné. Proto je snímač tloušťky vibrací připraven s úzkým frekvenčním pásmem, vysokou hodnotou Q, nízkou citlivostí a dalšími nedostatky. Piezoelektrické kompozitní materiály typu 1-3 mají nízkou charakteristickou impedanci, hodnotu Q, dielektrickou konstantu, boční elektromechanický vazební koeficient a vysokou tloušťku elektromechanického vazebního koeficientu díky polymerní fázi. Ideální materiál pro energeticky úsporné zařízení. Byly měřeny výkony pístových měničů vyrobených z piezoelektrických kompozitních materiálů stejné velikosti 1-3 a běžných disků PZT a byly získány křivky admitancí a přenos dvou měničů ve vzduchu a vodě. Je to napěťová odezva, citlivost příjmu a grafy směrovosti. A prostřednictvím srovnávací analýzy se dospělo k závěru, že snímač z piezoelektrického kompozitního materiálu typu 1-3 má výrazně lepší přenosový a přijímací výkon ve srovnání s běžnými piezoelektrickými snímači PZT. Vylepšený piezoelektrický kompozit 1-3 (1-3-2) si zachovává vynikající elektroakustické vlastnosti 1-3 Piezokeramický kompozit PZT5 má dobrou teplotní a tlakovou stabilitu, což je velmi vhodné pro přípravu podvodního akustického měniče. Tento článek používá piezoelektrický kompozitní materiál 1-2-3 k návrhu a výrobě válcového podvodního akustického měniče a měří jeho admitanci, odezvu vysílacího napětí, citlivost příjmu a směrovost.

Struktura a příprava piezoelektrických kompozitů

Piezoelektrické kompozitní materiály jsou vyrobeny z 1-3 piezoelektrických kompozitních materiálů a piezokeramických substrátů zapojených do série ve směru keramické polarizace. Tato struktura má pevnou piezoelektrickou keramickou podporu paralelně a kolmo ke směru polarizace, která je stabilnější než kompozitní materiály typu 1-3. Nejenže si zachovává všechny výhody 1-3 piezoelektrických kompozitních materiálů, ale také se nesnadno deformuje při vyšších teplotách a má lepší tepelnou odolnost a odolnost vůči vnějším vlivům. Piezoelektrický kompozitní materiál se připravuje procesem řezání-plnění. Piezoelektrická keramika používá PZT-5A vyráběný Ústavem akustiky Čínské akademie věd. Když opouští továrnu, byl polarizován. Automatický řezací stroj se používá k řezání povrchu kolmo k ose polarizace piezokeramiky ve dvou směrech, které jsou na sebe kolmé, přičemž je zachována určitá tloušťka substrátu pro vytvoření keramického skeletu. Do keramické kostry (tj. epoxidové pryskyřice WRS618 vyráběné Wuxi Resin Factory) se nalije polymer s vhodným množstvím vytvrzovacího činidla a poté se bublina vakuového ejektoru evakuuje a vytvrdí při pokojové teplotě za vzniku kompozitního materiálu, který se brousí nebo řeže do tvaru polotovaru. Byl vytvořen vzorek kompozitního materiálu a nakonec byl povrch vzorku pokryt elektrodou za použití vysokovakuového magnetronového naprašovacího zařízení. Pomocí výše uvedeného procesu byly připraveny dva kusy 1-3-2 piezoelektrické keramické/polymerní kompozitní desky o rozměrech 40 mm x 40 mm x 10 mm. Šířka keramických sloupků a šířka epoxidové pryskyřice mezi sloupky jsou 0,9 a 0,45 mm a tloušťka piezoelektrický válcový měnič
 je 1 mm. Ve směru tloušťky kompozitního materiálu byly dva kusy kompozitního materiálu nařezány na 24 plátků kompozitního materiálu o délce 10 mm, šířce 6,5 a tloušťce 10 mm. Měřil se rezonanční výkon každého piezoelektrického plátku a 18 z nich bylo vybráno pro výrobu dvou náhradních plátků. Výsledky měření výkonu každého prvku měniče, konzistence výkonu každého piezo prvku je dobrá a jeho rezonanční frekvence je téměř stejná. Obrázek ukazuje křivku měření admitance jednoho z prvků pole, přičemž všechny prvky pole jsou mu podobné. 

Konstrukce a výrobní proces piezoelektrického válcového měniče

3.1 Struktura převodníku

Množství 1-3-2 piezoelektrických kompozitních materiálů je rovnoměrně uspořádáno podél obvodu pro vytvoření kruhového pole pro vytvoření válcového měniče. Struktura převodníku je znázorněna na obrázku. V současné době není nalezen žádný převodník této struktury. Existují související výzkumné zprávy.

Kompozitní válcový piezoelektrický měnič se skládá z kompozitního prvku, měděného podkladu, držáku a krycí desky. Osmnáct prvků z kompozitního materiálu PZT je rovnoměrně uspořádáno v drážkách prstencového měděného podkladu po obvodu a spodní plocha prvků z kompozitního materiálu je přilepena k měděnému podkladu vodivým lepidlem. Tímto způsobem může měděná podložka nejen lokalizovat prvky pole, ale také zvýšit vibrační posun. Díky použití vodivého lepení je spodní elektroda kompozitního prvku spojena s podložkou, což zjednodušuje proces vedení elektrody. Tímto způsobem může být spodní elektrodový přívod (signální vedení) vyveden z vnitřní boční stěny nosiče měděné trubky a připojen ke stejnému signálovému kabelu hřídelového kabelu. Poté držák a koncový kryt upněte a upevněte měděnou podložku ze dvou směrů. Podložka, držák a koncový kryt jsou izolovány podložkou z tuhé pěny a poté jsou vnější elektrody piezoprvků z kompozitního materiálu připojeny ke stíněnému drátu koaxiálního kabelu a utěsněny vodotěsným spojem nebo vodotěsným lepidlem. Nakonec se sestava vloží do formy a nalije se polyuretan o tloušťce asi 2 mm, aby se vytvořila vodotěsná, zvukopropustná a těsnící vrstva. Pomocí výše uvedeného procesu byly experimentálně vyrobeny dva identické válcové měniče a celkové rozměry válcových měničů po sestavení byly 70 mm × 15 mm.