Preparazione del trasduttore cilindrico piezoelettrico in ceramica/polimero composito (1)

L'array di trasduttori è il componente chiave del sistema sonar. È un dispositivo che realizza la mutua conversione dell'energia elettroacustica. Le prestazioni del trasduttore e dell'array di trasduttori dipendono principalmente dalle prestazioni, dalla struttura e dal processo di produzione del materiale trasduttore. Attualmente, la maggior parte dei trasduttori acustici subacquei che utilizzano ceramica piezoelettrica di piombo zirconato titanato (PZT) come materiale di conversione dell'energia, che presenta i vantaggi di un elevato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, basse perdite, fabbricazione conveniente e prezzo basso. Tuttavia, a causa dell'elevata impedenza caratteristica della ceramica piezoelettrica, quando il carico è acqua o tessuto biologico, non è facile adattare il carico, la perdita di riflessione di L'anello piezoelettrico in ceramica all'interfaccia è grande e il suo accoppiamento laterale è forte. Pertanto, il trasduttore di vibrazione dello spessore è preparato con una banda di frequenza stretta, un valore Q elevato, una sensibilità bassa e altri difetti. I materiali compositi piezoelettrici di tipo 1-3 hanno bassa impedenza caratteristica, valore Q, costante dielettrica, coefficiente di accoppiamento elettromeccanico laterale e coefficiente di accoppiamento elettromeccanico ad alto spessore dovuto alla fase polimerica. Materiale ideale per il dispositivo di risparmio energetico. Sono state misurate le prestazioni dei trasduttori a pistone realizzati con materiali compositi piezoelettrici della stessa dimensione 1-3 e normali dischi PZT e sono state ottenute le curve di ammettenza e la trasmissione dei due trasduttori nell'aria e nell'acqua. Si tratta della risposta in tensione, della sensibilità di ricezione e dei grafici della direttività. E attraverso l'analisi comparativa, si è concluso che il trasduttore piezoelettrico in materiale composito di tipo 1-3 ha prestazioni di trasmissione e ricezione significativamente migliorate rispetto ai normali trasduttori piezoelettrici PZT. Il composito piezoelettrico 1-3 (1-3-2) migliorato mantiene le eccellenti caratteristiche elettroacustiche dell'1-3 Composito ceramico piezoelettrico PZT5 e ha una buona stabilità alla temperatura e alla pressione, che è molto adatto per la preparazione del trasduttore acustico subacqueo. Questo articolo utilizza un materiale composito piezoelettrico 1-2-3 per progettare e produrre un trasduttore acustico subacqueo cilindrico e ne misura l'ammettenza, la risposta alla tensione di trasmissione, la sensibilità di ricezione e la direttività.

Struttura e preparazione dei compositi piezoelettrici

I materiali compositi piezoelettrici sono costituiti da 1-3 materiali compositi piezoelettrici e substrati piezoceramici collegati in serie lungo la direzione di polarizzazione della ceramica. Questa struttura ha un supporto ceramico piezoelettrico rigido in parallelo e perpendicolare alla direzione di polarizzazione, che è più stabile dei materiali compositi di tipo 1-3. Non solo conserva tutti i vantaggi dei materiali compositi piezoelettrici 1-3, ma non è facile da deformare a temperature più elevate e ha una migliore resistenza al calore e agli impatti esterni. Il materiale composito piezoelettrico viene preparato mediante un processo di taglio-riempimento. La ceramica piezoelettrica utilizza PZT-5A prodotto dall'Istituto di Acustica dell'Accademia Cinese delle Scienze. È stato polarizzato quando lascia la fabbrica. Una macchina da taglio automatica viene utilizzata per tagliare la superficie perpendicolare all'asse di polarizzazione della ceramica piezoelettrica in due direzioni perpendicolari tra loro, mantenendo un certo spessore del substrato per formare uno scheletro ceramico. Un polimero con una quantità adeguata di agente indurente viene versato nella struttura ceramica (ovvero, la resina epossidica WRS618 prodotta da Wuxi Resin Factory), quindi la bolla dell'eiettore a vuoto viene evacuata e polimerizzata a temperatura ambiente per creare un materiale composito, che viene macinato o tagliato per modellare il pezzo grezzo. È stato formato un campione di materiale composito e, infine, la superficie del campione è stata ricoperta con un elettrodo utilizzando un apparecchio per sputtering con magnetron ad alto vuoto. Utilizzando il processo di cui sopra, sono stati preparati due pezzi di foglio composito piezoelettrico in ceramica/polimero 1-3-2 di 40 mm * 40 mm * 10 mm. La larghezza dei pilastri in ceramica e la larghezza della resina epossidica tra i pilastri sono rispettivamente 0,9 e 0,45 mm, e lo spessore dei il trasduttore del cilindro piezoelettrico
 è di 1 mm. Lungo la direzione dello spessore del materiale composito, due pezzi di materiale composito sono stati tagliati in 24 wafer di materiale composito con una lunghezza di 10 mm, una larghezza di 6,5 e uno spessore di 10 mm. È stata misurata la prestazione di risonanza di ciascun wafer piezoelettrico e 18 di essi sono stati selezionati per realizzare due wafer sostitutivi. I risultati della misurazione delle prestazioni di ciascun elemento dei trasduttori, la coerenza delle prestazioni di ciascun elemento piezoelettrico sono buoni e la sua frequenza di risonanza è quasi la stessa. La figura mostra la curva di misura dell'ammettenza di uno degli elementi dell'array, dove gli elementi dell'array sono tutti simili ad esso. 

Struttura e processo di fabbricazione del trasduttore cilindrico piezoelettrico

3.1 Struttura del trasduttore

Una pluralità di materiali compositi piezoelettrici 1-3-2 sono disposti uniformemente lungo la circonferenza per formare una disposizione circolare per produrre un trasduttore cilindrico. La struttura del trasduttore è mostrata nell'immagine. Al momento non è stato trovato alcun trasduttore di questa struttura. Esistono rapporti di ricerca correlati.

Il trasduttore piezoelettrico cilindrico composito è composto da un elemento composito, un supporto in rame, una staffa e una piastra di copertura. Diciotto elementi in materiale composito PZT sono disposti uniformemente nelle scanalature del supporto in rame a forma di anello lungo la circonferenza e la superficie inferiore degli elementi in materiale composito è fatta aderire al supporto in rame con un adesivo conduttivo. In questo modo, il supporto in rame non solo può localizzare gli elementi dell'array, ma anche migliorare lo spostamento delle vibrazioni. Grazie all'uso di un adesivo conduttivo, l'elettrodo inferiore dell'elemento composito è collegato al supporto, il che semplifica il processo di collegamento dell'elettrodo. In questo modo il cavo dell'elettrodo inferiore (linea del segnale) può essere fatto uscire dalla parete laterale interna del supporto del tubo di rame e collegato allo stesso cavo del segnale del cavo dell'albero. Quindi, la staffa e il coperchio terminale rispettivamente bloccano e fissano il supporto in rame da due direzioni. Il supporto, la staffa e il coperchio terminale vengono isolati con una rondella in schiuma rigida, quindi gli elettrodi esterni degli elementi piezoelettrici in materiale composito vengono collegati al filo schermato del cavo coassiale e sigillati con un giunto a tenuta stagna o colla impermeabile. Infine, l'insieme viene posto in uno stampo e viene colato un poliuretano dello spessore di circa 2 mm per formare uno strato impermeabile, fono-permeabile e sigillante. Utilizzando il processo di cui sopra, sono stati fabbricati sperimentalmente due trasduttori cilindrici identici e le dimensioni complessive dei trasduttori cilindrici dopo l'assemblaggio erano 70 mm × 15 mm.