Priprema piezoelektričnog keramičkog/polimer kompozitnog cilindričnog pretvornika (1)

Niz sondi ključne su komponente u sonarnom sustavu. To je uređaj koji ostvaruje međusobnu pretvorbu elektroakustičke energije. Učinkovitost pretvornika i niza pretvornika uglavnom ovisi o učinku, strukturi i procesu proizvodnje materijala pretvornika. Trenutačno većina podvodnih akustičnih pretvarača koristi olovo cirkonat titanat piezoelektričnu keramiku (PZT) kao materijal za pretvorbu energije, koji ima prednosti visokog koeficijenta elektromehaničke sprege, malog gubitka, prikladne proizvodnje i niske cijene. Međutim, zbog visoke karakteristične impedancije piezoelektrične keramike, kada je opterećenje voda ili biološko tkivo, nije lako uskladiti opterećenje, gubitak refleksije piezo keramički prsten na sučelju je velik, a njegov bočni spoj je jak. Stoga je pretvarač debljinskih vibracija pripremljen sa svojim uskim frekvencijskim pojasom, visokom Q vrijednošću, niskom osjetljivošću i drugim nedostacima. Piezoelektrični kompozitni materijali tipa 1-3 imaju nisku karakterističnu impedanciju, Q vrijednost, dielektričnu konstantu, bočni koeficijent elektromehaničke sprege i koeficijent elektromehaničke sprege velike debljine zbog polimerne faze. Idealan materijal za uređaj za uštedu energije. Izmjerene su performanse klipnih pretvornika izrađenih od piezoelektričnih kompozitnih materijala iste veličine 1-3 i običnih PZT diskova te su dobivene krivulje admitancije i transmisije dvaju pretvornika u zraku i vodi. To su dijagrami odziva napona, prijemne osjetljivosti i usmjerenosti. Usporednom analizom zaključeno je da sonda od piezoelektričnog kompozitnog materijala tipa 1-3 ima značajno poboljšane performanse prijenosa i prijema u usporedbi s običnim piezoelektričnim sondama PZT. Poboljšani piezoelektrični kompozit 1-3 (1-3-2) zadržava izvrsne elektro-akustične karakteristike 1-3 PZT5 piezo keramički kompozit, i ima dobru stabilnost temperature i tlaka, što je vrlo pogodno za pripremu podvodnih akustičkih pretvarača. Ovaj rad koristi 1-2-3 piezoelektrični kompozitni materijal za projektiranje i proizvodnju cilindričnog podvodnog akustičnog pretvornika i mjerenje njegove admitancije, odziva napona prijenosa, osjetljivosti prijema i usmjerenosti.

Struktura i priprema piezoelektričnih kompozita

Piezoelektrični kompozitni materijali izrađeni su od 1-3 piezoelektrična kompozitna materijala i piezo keramičkih podloga povezanih u seriju duž smjera polarizacije keramike. Ova struktura ima krutu piezoelektričnu keramičku potporu paralelnu i okomitu na smjer polarizacije, što je stabilnije od kompozitnih materijala tipa 1-3. Ne samo da zadržava sve prednosti 1-3 piezoelektričnih kompozitnih materijala, već ga nije lako deformirati na višim temperaturama i ima bolju toplinsku otpornost i otpornost na vanjski utjecaj. Piezoelektrični kompozitni materijal priprema se postupkom rezanja-ispune. Piezoelektrična keramika koristi PZT-5A proizveden od strane Instituta za akustiku Kineske akademije znanosti. Polariziran je kada napušta tvornicu. Automatski stroj za rezanje koristi se za rezanje površine okomito na os polarizacije piezo keramike u dva smjera koji su okomiti jedan na drugi, zadržavajući određenu debljinu podloge kako bi se formirao keramički kostur. Polimer s odgovarajućom količinom sredstva za stvrdnjavanje ulijeva se u keramički okvir (to jest, epoksidna smola WRS618 koju proizvodi Wuxi Resin Factory), a zatim se mjehurić vakuumskog izbacivača evakuira i stvrdnjava na sobnoj temperaturi kako bi se napravio kompozitni materijal, koji se melje ili reže kako bi se oblikovala praznina. Formiran je uzorak kompozitnog materijala, a na kraju je površina uzorka prekrivena elektrodom pomoću visokovakuumskog aparata za magnetronsko raspršivanje. Koristeći gornji postupak, pripremljena su dva komada 1-3-2 piezoelektrične keramičke/polimer kompozitne ploče od 40 mm * 40 mm * 10 mm. Širina keramičkih stupova i širina epoksidne smole između stupova su 0,9 odnosno 0,45 mm, a debljina pretvornik piezoelektričnog cilindra
 je 1 mm. Uzduž smjera debljine kompozitnog materijala, dva komada kompozitnog materijala izrezana su u 24 pločice od kompozitnog materijala duljine 10 mm, širine 6,5 i debljine 10 mm. Izmjerena je rezonantna izvedba svake piezoelektrične pločice, a njih 18 je odabrano za izradu dvije zamjenske pločice. Rezultati mjerenja performansi svakog elementa pretvornika, dosljednost performansi svakog piezo elementa je dobra, a njegova rezonantna frekvencija je gotovo ista. Slika prikazuje krivulju mjerenja admitancije jednog od elemenata niza, pri čemu su svi elementi niza slični njemu. 

Struktura i proces proizvodnje piezoelektričnog cilindričnog pretvarača

3.1 Struktura pretvarača

Mnoštvo 1-3-2 piezoelektričnih kompozitnih materijala ravnomjerno je raspoređeno duž oboda kako bi se formirao kružni niz za proizvodnju cilindričnog pretvarača. Struktura pretvarača prikazana je na slici. Trenutačno nije pronađen pretvornik ove strukture. Postoje srodna izvješća o istraživanju.

Kompozitni cilindrični piezoelektrični pretvarač sastoji se od kompozitnog elementa, bakrene podloge, nosača i pokrovne ploče. Osamnaest kompozitnih elemenata od PZT materijala ravnomjerno je raspoređeno u žljebove prstenaste bakrene podloge po obodu, a donja površina elemenata od kompozitnog materijala prilijepljena je na bakrenu podlogu vodljivim ljepilom. Na taj način, bakrena podloga ne samo da može locirati elemente niza, već također može povećati pomak vibracija. Zbog korištenja vodljivog ljepljivog lijepljenja, donja elektroda kompozitnog elementa spojena je na podlogu, što pojednostavljuje postupak izvođenja elektrode. Na taj način se donji vod elektrode (signalni vod) može izvesti iz unutarnje bočne stijenke podloge bakrene cijevi i spojiti na isti signalni kabel kabela osovine. Zatim, nosač i krajnji poklopac stegnu i pričvrste bakrenu podlogu iz dva smjera. Podloga, držač i krajnji poklopac izolirani su podloškom od krute pjene, a zatim su vanjske elektrode piezo elemenata od kompozitnog materijala spojene na oklopljenu žicu koaksijalnog kabela i zabrtvljene vodonepropusnim spojem ili vodootpornim ljepilom. Na kraju se sklop postavlja u kalup i ulijeva poliuretan debljine oko 2 mm kako bi se formirao vodonepropusni, zvučno propusni i brtveni sloj. Gornjim postupkom eksperimentalno su proizvedena dva identična cilindrična pretvarača, a ukupne dimenzije cilindričnih pretvarača nakon sastavljanja bile su 70 mm × 15 mm.