Persiapan transduser silinder komposit keramik/polimer piezoelektrik (1)

Rangkaian transduser adalah komponen kunci dalam sistem sonar. Ini adalah perangkat yang mewujudkan konversi energi elektro-akustik secara timbal balik. Kinerja transduser dan susunan transduser terutama bergantung pada kinerja, struktur, dan proses pembuatan bahan transduksi. Saat ini, sebagian besar transduser akustik bawah air menggunakan keramik piezoelektrik titanat timbal zirkonat titanat (PZT) sebagai bahan konversi energi, yang memiliki keunggulan koefisien kopling elektromekanis yang tinggi, kehilangan yang rendah, pembuatan yang mudah, dan harga yang murah. Namun, karena impedansi karakteristik keramik piezoelektrik yang tinggi, bila bebannya adalah air atau jaringan biologis, maka tidak mudah untuk mencocokkan beban, hilangnya pantulan cincin keramik piezo pada antarmukanya besar, dan sambungan lateralnya kuat. Oleh karena itu, transduser getaran ketebalan disiapkan dengan pita frekuensi sempit, nilai Q tinggi, sensitivitas rendah dan kekurangan lainnya. Material komposit piezoelektrik tipe 1-3 memiliki impedansi karakteristik yang rendah, nilai Q, konstanta dielektrik, koefisien kopling elektromekanis lateral, dan koefisien kopling elektromekanis ketebalan yang tinggi karena fase polimer. Bahan ideal untuk perangkat hemat energi. Kinerja transduser piston yang terbuat dari bahan komposit piezoelektrik ukuran 1-3 yang sama dan cakram PZT biasa diukur, dan kurva masuk serta transmisi kedua transduser di udara dan air diperoleh. Ini adalah respons tegangan, sensitivitas penerimaan, dan plot pengarahan. Dan melalui analisis komparatif, disimpulkan bahwa transduser bahan komposit piezoelektrik tipe 1-3 memiliki kinerja transmisi dan penerimaan yang jauh lebih baik dibandingkan dengan transduser piezoelektrik PZT biasa. Komposit piezoelektrik 1-3 (1-3-2) yang ditingkatkan mempertahankan karakteristik elektro-akustik yang sangat baik dari 1-3 Komposit keramik piezo PZT5 , dan memiliki stabilitas suhu dan tekanan yang baik, sehingga sangat cocok untuk menyiapkan transduser akustik bawah air. Makalah ini menggunakan bahan komposit piezoelektrik 1-2-3 untuk merancang dan memproduksi transduser akustik bawah air berbentuk silinder, dan mengukur masuknya, respons tegangan transmisi, sensitivitas penerimaan, dan pengarahan.

Struktur dan persiapan komposit piezoelektrik

Material komposit piezoelektrik terbuat dari 1-3 material komposit piezoelektrik dan substrat keramik piezo yang dihubungkan secara seri sepanjang arah polarisasi keramik. Struktur ini memiliki dukungan keramik piezoelektrik kaku yang paralel dan tegak lurus terhadap arah polarisasi, yang lebih stabil dibandingkan material komposit tipe 1-3. Ini tidak hanya mempertahankan semua keunggulan material komposit 1-3 piezoelektrik, tetapi juga tidak mudah berubah bentuk pada suhu yang lebih tinggi, dan memiliki ketahanan panas yang lebih baik serta ketahanan terhadap benturan eksternal. Material komposit piezoelektrik dibuat dengan proses pemotongan-pengisian. Keramik piezoelektrik menggunakan PZT-5A yang diproduksi oleh Institute of Acoustics of the Chinese Academy of Sciences. Telah terpolarisasi ketika meninggalkan pabrik. Mesin pemotong otomatis digunakan untuk memotong permukaan tegak lurus sumbu polarisasi keramik piezo dalam dua arah yang saling tegak lurus, dengan mempertahankan ketebalan substrat tertentu hingga membentuk kerangka keramik. Polimer dengan jumlah bahan pengawet yang sesuai dituangkan ke dalam kerangka keramik (yaitu resin epoksi WRS618 yang diproduksi oleh Pabrik Resin Wuxi), dan kemudian gelembung ejektor vakum dievakuasi dan diawetkan pada suhu kamar untuk membuat bahan komposit, yang digiling atau dipotong untuk membentuk blanko. Sampel material komposit dibentuk, dan terakhir permukaan sampel ditutup dengan elektroda dengan menggunakan alat sputtering magnetron vakum tinggi. Dengan menggunakan proses di atas, dua lembar lembaran komposit keramik/polimer piezoelektrik 1-3-2 berukuran 40mm * 40mm * 10mm disiapkan. Lebar pilar keramik dan lebar resin epoksi antar pilar masing-masing adalah 0,9 dan 0,45 mm, serta tebal transduser silinder piezoelektrik
 adalah 1 mm. Sepanjang arah ketebalan material komposit, dua buah material komposit dipotong menjadi 24 wafer material komposit dengan ukuran panjang 10 mm, lebar 6,5, dan tebal 10 mm. Kinerja resonansi masing-masing wafer piezoelektrik diukur, dan 18 di antaranya dipilih untuk membuat dua wafer pengganti. Hasil pengukuran kinerja setiap elemen transduser, konsistensi kinerja setiap elemen piezo baik, dan frekuensi resonansinya hampir sama. Gambar tersebut menunjukkan kurva pengukuran masuknya salah satu elemen array, dimana semua elemen array serupa dengannya. 

Struktur dan proses pembuatan transduser silinder piezoeltrik

3.1 Struktur Transduser

Sejumlah material komposit piezoelektrik 1-3-2 disusun secara seragam sepanjang keliling untuk membentuk susunan melingkar untuk menghasilkan transduser silinder. Struktur transduser ditunjukkan pada gambar. Saat ini, tidak ada transduser struktur ini yang ditemukan. Ada laporan penelitian terkait.

Transduser piezoelektrik silinder komposit terdiri dari elemen komposit, lapisan tembaga, braket, dan pelat penutup. Delapan belas elemen material komposit PZT disusun secara merata dalam alur bantalan tembaga berbentuk cincin di sepanjang keliling, dan permukaan bawah elemen material komposit dilekatkan pada lapisan tembaga dengan perekat konduktif. Dengan cara ini, lapisan tembaga tidak hanya dapat menemukan lokasi elemen susunan, tetapi juga meningkatkan perpindahan getaran. Karena penggunaan ikatan perekat konduktif, elektroda bawah elemen komposit dihubungkan ke bagian belakang, yang menyederhanakan proses lead elektroda. Dengan cara ini, ujung elektroda bawah (jalur sinyal) dapat dikeluarkan dari dinding sisi dalam penyangga tabung tembaga dan dihubungkan ke kabel sinyal yang sama dari kabel poros. Kemudian, braket dan penutup ujung masing-masing menjepit dan mengencangkan lapisan tembaga dari dua arah. Bagian belakang, braket, dan penutup ujung diisolasi dengan mesin cuci busa kaku, dan kemudian elektroda eksternal dari elemen piezo material komposit dihubungkan ke kawat berpelindung dari kabel koaksial, dan disegel dengan sambungan kedap air atau lem tahan air. Terakhir, rakitan ditempatkan dalam cetakan, dan poliuretan dengan ketebalan sekitar 2 mm dituangkan untuk membentuk lapisan kedap air, kedap suara, dan menyegel. Dengan menggunakan proses di atas, dua transduser silinder identik dibuat secara eksperimental, dan dimensi keseluruhan transduser silinder setelah perakitan adalah 70 mm × 15 mm.