Pregătirea traductorului cilindric piezoelectric din ceramică/polimer compozit (1)

Matricea de traductoare sunt componentele cheie ale sistemului sonar. Este un dispozitiv care realizează conversia reciprocă a energiei electro-acustice. Performanța traductorului și a matricei de traductoare depinde în principal de performanța, structura și procesul de fabricație al materialului de transducere. În prezent, majoritatea traductoarelor acustice subacvatice care utilizează ceramică piezoelectrică cu titanat de zirconat de plumb (PZT) ca material de conversie a energiei, care are avantajele unui coeficient de cuplare electromecanic ridicat, pierderi reduse, fabricație convenabilă și preț scăzut. Cu toate acestea, datorită impedanței caracteristice ridicate a ceramicii piezoelectrice, atunci când sarcina este apă sau țesut biologic, nu este ușor să se potrivească sarcina, pierderea de reflexie a Inelul piezo-ceramic de la interfață este mare, iar cuplarea sa laterală este puternică. Prin urmare, traductorul de vibrații de grosime este pregătit cu bandă de frecvență îngustă, valoare Q mare, sensibilitate scăzută și alte neajunsuri. Materialele compozite piezoelectrice de tip 1-3 au impedanță caracteristică scăzută, valoare Q, constantă dielectrică, coeficient de cuplare electromecanic lateral și coeficient de cuplare electromecanic de grosime mare datorită fazei polimerului. Material ideal pentru dispozitivul de economisire a energiei. Au fost măsurate performanțele traductoarelor cu piston realizate din materiale compozite piezoelectrice de aceeași dimensiune 1-3 și discuri obișnuite PZT și s-au obținut curbele de admisanță și transmisie a celor două traductoare în aer și apă. Este răspunsul la tensiune, sensibilitatea de recepție și diagramele de directivitate. Și prin analiză comparativă, se ajunge la concluzia că traductorul din material compozit piezoelectric de tip 1-3 are o performanță de transmisie și recepție semnificativ îmbunătățită în comparație cu traductoarele piezoelectrice obișnuite PZT. Compozitul piezoelectric îmbunătățit 1-3 (1-3-2) păstrează caracteristicile electro-acustice excelente ale 1-3 Compozit piezo-ceramic PZT5 și are o stabilitate bună la temperatură și presiune, care este foarte potrivit pentru pregătirea traductorului acustic subacvatic. Această lucrare folosește un material compozit piezoelectric 1-2-3 pentru a proiecta și fabrica un traductor acustic subacvatic cilindric și măsoară admitanța acestuia, răspunsul la tensiune de transmisie, sensibilitatea de recepție și directivitatea.

Structura și prepararea compozitelor piezoelectrice

Materialele compozite piezoelectrice sunt realizate din 1-3 materiale compozite piezoelectrice și substraturi piezo-ceramice conectate în serie de-a lungul direcției de polarizare ceramică. Această structură are suport ceramic piezoelectric rigid în paralel și perpendicular pe direcția de polarizare, care este mai stabil decât materialele compozite de tip 1-3. Nu numai că păstrează toate avantajele 1-3 materiale compozite piezoelectrice, dar, de asemenea, nu este ușor de deformat la temperaturi mai ridicate și are o rezistență mai bună la căldură și rezistență la impact extern. Materialul compozit piezoelectric este preparat printr-un proces de tăiere-umplere. Ceramica piezoelectrică folosește PZT-5A produs de Institutul de Acustica al Academiei Chineze de Științe. A fost polarizat cand iese din fabrica. O mașină de tăiat automată este utilizată pentru a tăia suprafața perpendiculară pe axa de polarizare a ceramicii piezo în două direcții care sunt perpendiculare una pe cealaltă, păstrând o anumită grosime a substratului pentru a forma un schelet ceramic. Un polimer cu o cantitate adecvată de agent de întărire este turnat în cadrul ceramicii (adică rășina epoxidică WRS618 produsă de Wuxi Resin Factory), apoi bula de ejector de vid este evacuată și întărită la temperatura camerei pentru a face un material compozit, care este măcinat sau tăiat pentru a forma semifabricatul. S-a format o probă de material compozit și, în final, suprafața probei a fost acoperită cu un electrod utilizând un aparat de pulverizare cu magnetron în vid înalt. Folosind procedeul de mai sus, s-au preparat două bucăți de 1-3-2 folie compozită ceramică/polimer piezoelectrică de 40mm * 40mm * 10mm. Lățimea stâlpilor ceramici și lățimea rășinii epoxidice dintre stâlpi sunt de 0,9 și, respectiv, 0,45 mm, iar grosimea traductorul cilindrului piezoelectric
 este de 1 mm. De-a lungul direcției de grosime a materialului compozit, două bucăți de material compozit au fost tăiate în 24 de plachete de material compozit cu o lungime de 10 mm, o lățime de 6,5 și o grosime de 10 mm. Performanța de rezonanță a fiecărei plăci piezoelectrice a fost măsurată și 18 dintre ele au fost selectate pentru realizarea a două plachete de înlocuire. Rezultatele de măsurare a performanței fiecărui element al traductoarelor, consistența performanței fiecărui element piezo este bun, iar frecvența sa de rezonanță este aproape aceeași. Figura prezintă curba de măsurare a admitanței unuia dintre elementele matricei, unde elementele matricei sunt toate similare cu acesta. 

Structura și procesul de fabricație a traductorului cilindric piezoelctric

3.1 Structura traductorului

O multitudine de materiale compozite piezoelectrice 1-3-2 sunt aranjate uniform de-a lungul circumferinței pentru a forma o rețea circulară pentru a produce un traductor cilindric. Structura traductorului este prezentată în imagine. În prezent, nu se găsește niciun traductor al acestei structuri. Există rapoarte de cercetare aferente.

Traductorul piezoelectric cilindric compozit este compus dintr-un element compozit, un suport de cupru, un suport și o placă de acoperire. Optsprezece elemente de material compozit PZT sunt aranjate uniform în canelurile suportului de cupru în formă de inel de-a lungul circumferinței, iar suprafața inferioară a elementelor de material compozit este lipită de suportul de cupru cu un adeziv conductor. În acest fel, suportul de cupru poate nu numai să localizeze elementele matricei, ci și să sporească deplasarea vibrațiilor. Datorită utilizării lipirii adezive conductoare, electrodul inferior al elementului compozit este conectat la suport, ceea ce simplifică procesul de conectare a electrodului. În acest fel, cablul electrodului inferior (linia de semnal) poate fi scos din peretele lateral interior al suportului tubului de cupru și conectat la același cablu de semnal al cablului arborelui. Apoi, suportul și respectiv capacul de capăt prind și fixează suportul de cupru din două direcții. Suportul, suportul și capacul de capăt sunt izolate cu o șaibă de spumă rigidă, iar apoi electrozii externi ai elementelor piezo din material compozit sunt conectați la firul ecranat al cablului coaxial și etanșați cu o îmbinare etanșă sau adeziv impermeabil. În cele din urmă, ansamblul este plasat într-o matriță și se toarnă un poliuretan cu o grosime de aproximativ 2 mm pentru a forma un strat impermeabil, permeabil la sunet și de etanșare. Prin utilizarea procesului de mai sus, au fost fabricate experimental două traductoare cilindrice identice, iar dimensiunile totale ale traductoarelor cilindrice după asamblare au fost de 70 mm × 15 mm.