Forberedelse af piezoelektrisk keramik / polymer komposit cylindrisk transducer (1)

Transducer-arrayet er nøglekomponenterne i sonarsystemet. Det er en enhed, der realiserer den gensidige omdannelse af elektroakustisk energi. Transducerens og transducerarrayets ydeevne afhænger hovedsageligt af transducermaterialets ydeevne, struktur og fremstillingsprocessen. På nuværende tidspunkt er de fleste af de akustiske undervandstransducere, der bruger blyzirkonattitanat piezoelektrisk keramik (PZT) som energikonverteringsmateriale, hvilket har fordelene ved høj elektromekanisk koblingskoefficient, lavt tab, bekvem fremstilling og lav pris. Men på grund af den høje karakteristiske impedans af piezoelektrisk keramik, når belastningen er vand eller biologisk væv, er det ikke let at matche belastningen, refleksionstabet af piezo keramisk ring ved grænsefladen er stor, og dens laterale kobling er stærk. Derfor er tykkelsesvibrationstransduceren forberedt med det smalle frekvensbånd, høj Q-værdi, lav følsomhed og andre mangler. 1-3 type piezoelektriske kompositmaterialer har lav karakteristisk impedans, Q-værdi, dielektrisk konstant, lateral elektromekanisk koblingskoefficient og højtykkelse elektromekanisk koblingskoefficient på grund af polymerfasen. Ideelt materiale til den energibesparende enhed. Ydelserne af stempeltransducere fremstillet af samme størrelse 1-3 piezoelektriske kompositmaterialer og almindelige PZT-skiver blev målt, og admittanskurverne og transmissionen af ​​de to transducere i luft og vand blev opnået. Det er spændingsrespons, modtagefølsomhed og retningsplot. Og gennem sammenlignende analyse konkluderes det, at transduceren af ​​piezoelektrisk kompositmateriale af typen 1-3 har en væsentligt forbedret transmissions- og modtageydelse sammenlignet med almindelige PZT piezoelektriske transducere. Den forbedrede 1-3 (1-3-2) piezoelektriske komposit bevarer de fremragende elektroakustiske egenskaber fra 1-3 PZT5 piezo keramisk komposit, og har god temperatur- og trykstabilitet, hvilket er meget velegnet til klargøring af undervandsakustiktransducer. Dette papir bruger et 1-2-3 piezoelektrisk kompositmateriale til at designe og fremstille en cylindrisk akustisk undervandstransducer og måler dens adgang, sendespændingsrespons, modtagefølsomhed og retningsbestemmelse.

Struktur og fremstilling af piezoelektriske kompositter

Piezoelektriske kompositmaterialer er lavet af 1-3 piezoelektriske kompositmaterialer og piezokeramiske substrater forbundet i serie langs den keramiske polarisationsretning. Denne struktur har stiv piezoelektrisk keramisk støtte parallelt og vinkelret på polarisationsretningen, hvilket er mere stabilt end 1-3 type kompositmaterialer. Det bevarer ikke kun alle fordelene ved 1-3 piezoelektriske kompositmaterialer, men er heller ikke let at deformere ved højere temperaturer og har bedre varmebestandighed og modstandsdygtighed over for ekstern påvirkning. Det piezoelektriske kompositmateriale fremstilles ved en skære-fyldningsproces. Den piezoelektriske keramik bruger PZT-5A produceret af Institute of Acoustics ved det kinesiske videnskabsakademi. Den er blevet polariseret, når den forlader fabrikken. En automatisk skæremaskine bruges til at skære overfladen vinkelret på piezokeramikkens polarisationsakse i to retninger, der er vinkelrette på hinanden, og bibeholder en vis tykkelse af substratet for at danne et keramisk skelet. En polymer med en passende mængde hærdemiddel hældes i det keramiske rammeværk (det vil sige epoxyharpiksen WRS618 produceret af Wuxi Resin Factory), og derefter evakueres vakuumejektorboblen og hærdes ved stuetemperatur for at lave et kompositmateriale, som slibes eller skæres til for at forme emnet. En kompositmaterialeprøve blev dannet, og til sidst blev overfladen af ​​prøven dækket med en elektrode ved anvendelse af et højvakuum magnetronforstøvningsapparat. Ved hjælp af ovenstående proces blev to stykker 1-3-2 piezoelektrisk keramik/polymer kompositplade på 40 mm * 40 mm * 10 mm fremstillet. Bredden af ​​de keramiske søjler og bredden af ​​epoxyharpiksen mellem søjlerne er henholdsvis 0,9 og 0,45 mm, og tykkelsen af piezoelektrisk cylinder transducer
 er 1 mm. Langs kompositmaterialets tykkelsesretning blev to stykker kompositmateriale skåret i 24 kompositmaterialeskiver med en længde på 10 mm, en bredde på 6,5 og en tykkelse på 10 mm. Resonansydelsen af ​​hver piezoelektrisk wafer blev målt, og 18 af dem blev udvalgt til fremstilling af to erstatningswafers. Ydeevnemålingsresultaterne for hvert element i transducerne, ydeevnekonsistensen af ​​hvert piezoelement er god, og dets resonansfrekvens er næsten den samme. Figuren viser admittansmålingskurven for et af array-elementerne, hvor array-elementerne alle ligner det. 

Struktur og fremstillingsproces af piezoelektrisk cylindrisk transducer

3.1 Transducerstruktur

En flerhed af 1-3-2 piezoelektriske kompositmaterialer er ensartet arrangeret langs omkredsen for at danne et cirkulært array til fremstilling af en cylindrisk transducer. Transducerens struktur er vist på billedet. På nuværende tidspunkt findes ingen transducer af denne struktur. Der er relaterede forskningsrapporter.

Den sammensatte cylindriske piezoelektriske transducer er sammensat af et kompositelement, en kobberbagside, et beslag og en dækplade. Atten komposit-PZT-materialeelementer er jævnt arrangeret i rillerne på den ringformede kobberbagside langs omkredsen, og bundfladen af ​​kompositmaterialeelementerne er klæbet til kobberbagsiden med et ledende klæbemiddel. På denne måde kan kobberbagsiden ikke kun lokalisere array-elementerne, men også forbedre vibrationsforskydningen. På grund af brugen af ​​ledende klæbende limning er den nederste elektrode af kompositelementet forbundet med bagsiden, hvilket forenkler elektrodeledningsprocessen. På denne måde kan den nederste elektrodeledning (signalledning) føres ud fra den indvendige sidevæg af kobberrørets bagside og tilsluttes samme signalkabel på akselkablet. Derefter klemmer og fastgør henholdsvis beslaget og endedækslet kobberbagsiden fra to retninger. Bagsiden, beslaget og endedækslet er isoleret med en stiv skumskive, og derefter forbindes de eksterne elektroder af kompositmaterialets piezoelementer til koaksialkablets afskærmede ledning og forsegles med en vandtæt samling eller vandtæt lim. Til sidst placeres samlingen i en form, og en polyurethan med en tykkelse på ca. 2 mm hældes for at danne et vandtæt, lydgennemtrængeligt og tætnende lag. Ved at anvende ovenstående proces blev to identiske cylindriske transducere eksperimentelt fremstillet, og de samlede dimensioner af de cylindriske transducere efter samling var 70 mm x 15 mm.