Przygotowanie piezoelektrycznego przetwornika cylindrycznego z ceramiki i polimeru (1)

Układ przetworników to kluczowe elementy systemu sonaru. Jest to urządzenie realizujące wzajemną konwersję energii elektroakustycznej. Wydajność przetwornika i układu przetworników zależy głównie od wydajności, struktury i procesu produkcyjnego materiału przetwornika. Obecnie większość podwodnych przetworników akustycznych wykorzystuje ceramikę piezoelektryczną z cyrkonianu ołowiu i tytanianu ołowiu (PZT) jako materiał do konwersji energii, który ma zalety wysokiego współczynnika sprzężenia elektromechanicznego, niskich strat, wygodnej produkcji i niskiej ceny. Jednakże, ze względu na wysoką impedancję charakterystyczną ceramiki piezoelektrycznej, gdy obciążeniem jest woda lub tkanka biologiczna, nie jest łatwo dopasować obciążenie, utrata odbicia Pierścień piezoceramiczny na styku jest duży, a jego boczne połączenie jest mocne. Dlatego też przetwornik drgań grubościowych jest przygotowany z wąskim pasmem częstotliwości, dużą wartością Q, niską czułością i innymi wadami. Piezoelektryczne materiały kompozytowe typu 1-3 mają niską impedancję charakterystyczną, wartość Q, stałą dielektryczną, boczny współczynnik sprzężenia elektromechanicznego i współczynnik sprzężenia elektromechanicznego o dużej grubości ze względu na fazę polimerową. Idealny materiał na urządzenie oszczędzające energię. Zmierzono osiągi przetworników tłokowych wykonanych z piezoelektrycznych materiałów kompozytowych o tej samej wielkości 1-3 i zwykłych tarcz PZT oraz uzyskano krzywe readmisji i transmisji dwóch przetworników w powietrzu i wodzie. Są to wykresy odpowiedzi napięciowej, czułości odbioru i kierunkowości. Z analizy porównawczej wynika, że ​​piezoelektryczny przetwornik z materiału kompozytowego typu 1-3 charakteryzuje się znacznie lepszą wydajnością transmisji i odbioru w porównaniu ze zwykłymi przetwornikami piezoelektrycznymi PZT. Ulepszony kompozyt piezoelektryczny 1-3 (1-3-2) zachowuje doskonałe właściwości elektroakustyczne 1-3 Kompozyt piezoceramiczny PZT5 i ma dobrą stabilność temperatury i ciśnienia, co jest bardzo odpowiednie do przygotowania podwodnego przetwornika akustycznego. W artykule wykorzystano piezoelektryczny materiał kompozytowy 1-2-3 do zaprojektowania i wyprodukowania cylindrycznego podwodnego przetwornika akustycznego oraz zmierzono jego impedancję, odpowiedź napięciową transmisji, czułość odbioru i kierunkowość.

Struktura i wytwarzanie kompozytów piezoelektrycznych

Piezoelektryczne materiały kompozytowe składają się z 1-3 piezoelektrycznych materiałów kompozytowych i piezoceramicznych podłoży połączonych szeregowo wzdłuż kierunku polaryzacji ceramicznej. Struktura ta ma sztywną piezoelektryczną podporę ceramiczną równoległą i prostopadłą do kierunku polaryzacji, która jest bardziej stabilna niż materiały kompozytowe typu 1-3. Nie tylko zachowuje wszystkie zalety piezoelektrycznych materiałów kompozytowych 1-3, ale także nie jest łatwy do odkształcenia w wyższych temperaturach i ma lepszą odporność na ciepło i odporność na uderzenia zewnętrzne. Piezoelektryczny materiał kompozytowy wytwarza się w procesie wycinania i wypełniania. W ceramice piezoelektrycznej zastosowano PZT-5A wyprodukowany przez Instytut Akustyki Chińskiej Akademii Nauk. Po opuszczeniu fabryki został spolaryzowany. Automatyczna maszyna do cięcia służy do cięcia powierzchni prostopadle do osi polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej w dwóch kierunkach, które są do siebie prostopadłe, zachowując określoną grubość podłoża, tworząc ceramiczny szkielet. Do podbudowy ceramicznej (tj. żywicy epoksydowej WRS618 produkowanej przez Wuxi Resin Factory) wlewa się polimer z odpowiednią ilością utwardzacza, a następnie opróżnia się pęcherz próżniowy i utwardza ​​w temperaturze pokojowej, uzyskując materiał kompozytowy, który jest szlifowany lub cięty w celu nadania kształtu półfabrykatowi. Powstała próbka materiału kompozytowego, a na koniec powierzchnia próbki została pokryta elektrodą przy użyciu wysokopróżniowego aparatu do napylania magnetronowego. Stosując powyższy proces, przygotowano dwa kawałki arkusza kompozytowego piezoelektrycznego ceramika/polimer 1-3-2 o wymiarach 40 mm * 40 mm * 10 mm. Szerokość filarów ceramicznych i szerokość żywicy epoksydowej pomiędzy filarami wynoszą odpowiednio 0,9 i 0,45 mm, a grubość piezoelektryczny przetwornik cylindryczny
 ma średnicę 1 mm. Wzdłuż kierunku grubości materiału kompozytowego dwa kawałki materiału kompozytowego pocięto na 24 płytki materiału kompozytowego o długości 10 mm, szerokości 6,5 i grubości 10 mm. Zmierzono wydajność rezonansową każdej płytki piezoelektrycznej i wybrano 18 z nich do wykonania dwóch płytek zastępczych. Wyniki pomiarów wydajności każdego elementu przetworników, spójność działania każdego elementu piezoelektrycznego jest dobra, a jego częstotliwość rezonansowa jest prawie taka sama. Rysunek przedstawia krzywą pomiaru impedancji jednego z elementów układu, przy czym wszystkie elementy układu są do niej podobne. 

Struktura i proces wytwarzania piezoelektrycznego przetwornika cylindrycznego

3.1 Struktura przetwornika

Wiele piezoelektrycznych materiałów kompozytowych 1-3-2 jest równomiernie rozmieszczonych wzdłuż obwodu, tworząc okrągły układ w celu wytworzenia cylindrycznego przetwornika. Budowę przetwornika pokazano na rysunku. Obecnie nie odnaleziono przetwornika o tej strukturze. Istnieją doniesienia badawcze na ten temat.

Kompozytowy cylindryczny przetwornik piezoelektryczny składa się z elementu kompozytowego, miedzianego podkładu, wspornika i pokrywy. Osiemnaście elementów z materiału kompozytowego PZT jest równomiernie rozmieszczonych na obwodzie w rowkach pierścieniowego podłoża miedzianego, a dolna powierzchnia elementów z materiału kompozytowego jest przyklejona do podłoża miedzianego za pomocą kleju przewodzącego. W ten sposób miedziany podkład może nie tylko zlokalizować elementy układu, ale także zwiększyć przemieszczenie wibracji. Dzięki zastosowaniu przewodzącego klejenia, dolna elektroda elementu kompozytowego połączona jest z podłożem, co upraszcza proces prowadzenia elektrody. W ten sposób można wyprowadzić dolny przewód elektrody (linię sygnałową) z wewnętrznej ścianki bocznej podkładki rury miedzianej i podłączyć do tego samego kabla sygnałowego co kabel szybowy. Następnie wspornik i pokrywa końcowa odpowiednio zaciskają i mocują miedziany podkład z dwóch kierunków. Tył, wspornik i pokrywa końcowa są izolowane podkładką ze sztywnej pianki, a następnie zewnętrzne elektrody elementów piezoelektrycznych z materiału kompozytowego są łączone z ekranowanym przewodem kabla koncentrycznego i uszczelniane wodoszczelną spoiną lub wodoodpornym klejem. Na koniec całość umieszcza się w formie i zalewa poliuretanem o grubości około 2 mm, tworząc warstwę wodoodporną, dźwiękoprzepuszczalną i uszczelniającą. Stosując powyższy proces, wytworzono eksperymentalnie dwa identyczne przetworniki cylindryczne, których całkowite wymiary po złożeniu wynosiły 70 mm x 15 mm.