Підготовка п'єзоелектричного керамічного / полімерного композитного циліндричного перетворювача (1)

Решітка перетворювачів є ключовими компонентами гідроакустичної системи. Це пристрій, який реалізує взаємне перетворення електроакустичної енергії. Продуктивність перетворювача та масиву перетворювача в основному залежить від продуктивності, структури та процесу виробництва перетворюючого матеріалу. В даний час більшість підводних акустичних перетворювачів використовують п’єзоелектричну кераміку з цирконат-титанату свинцю (PZT) як матеріал для перетворення енергії, перевагами якого є високий електромеханічний коефіцієнт зв’язку, низькі втрати, зручне виготовлення та низька ціна. Однак через високий характеристичний опір п’єзоелектричної кераміки, коли навантаженням є вода або біологічна тканина, непросто узгодити навантаження, втрати відбиття п'єзокерамічне кільце на межі розділу велике, а його бокове з'єднання міцне. Таким чином, перетворювач товщини вібрації має вузьку смугу частот, високе значення Q, низьку чутливість та інші недоліки. П'єзоелектричні композиційні матеріали типу 1-3 мають низький характеристичний опір, значення Q, діелектричну проникність, бічний коефіцієнт електромеханічного зв'язку та високий коефіцієнт електромеханічного зв'язку за рахунок полімерної фази. Ідеальний матеріал для енергозберігаючого пристрою. Було виміряно характеристики поршневих перетворювачів, виготовлених з п’єзоелектричних композитних матеріалів однакового розміру 1-3 і звичайних дисків PZT, а також отримано криві пропускної здатності та пропускання двох перетворювачів у повітрі та воді. Це графіки напруги, чутливості прийому та спрямованості. Завдяки порівняльному аналізу було зроблено висновок, що п’єзоелектричний перетворювач із композитного матеріалу типу 1-3 має значно покращені характеристики передачі та прийому порівняно зі звичайними п’єзоелектричними перетворювачами PZT. Покращений п'єзоелектричний композит 1-3 (1-3-2) зберігає чудові електроакустичні характеристики 1-3 П'єзокерамічний композит PZT5 має хорошу стабільність температури та тиску, що дуже підходить для підготовки підводного акустичного перетворювача. У цьому документі використовується п’єзоелектричний композитний матеріал 1-2-3 для розробки та виготовлення циліндричного підводного акустичного перетворювача, а також вимірювання його пропускної здатності, характеристики напруги передачі, чутливості прийому та спрямованості.

Будова та виготовлення п'єзоелектричних композитів

П'єзоелектричні композитні матеріали виготовляються з 1-3 п'єзоелектричних композитних матеріалів і п'єзокерамічних підкладок, з'єднаних послідовно вздовж напрямку поляризації кераміки. Ця структура має жорстку п’єзоелектричну керамічну опору паралельно та перпендикулярно напрямку поляризації, яка є більш стабільною, ніж композитні матеріали типу 1-3. Він не тільки зберігає всі переваги 1-3 п'єзоелектричних композитних матеріалів, але також не легко деформується при більш високих температурах, має кращу термостійкість і стійкість до зовнішнього впливу. П'єзоелектричний композитний матеріал готується за допомогою процесу різання-заповнення. У п’єзоелектричній кераміці використовується PZT-5A виробництва Інституту акустики Китайської академії наук. Він був поляризований, коли він залишає фабрику. Автоматична машина для різання використовується для різання поверхні перпендикулярно осі поляризації п’єзокераміки у двох напрямках, які перпендикулярні один одному, зберігаючи певну товщину підкладки для формування керамічного скелета. Полімер із відповідною кількістю затверджувача заливають у керамічний каркас (тобто епоксидну смолу WRS618, вироблену Wuxi Resin Factory), а потім бульбашка вакуумного ежектора відкачується та затверджується при кімнатній температурі, щоб отримати композитний матеріал, який шліфують або розрізають, щоб надати форму заготовці. Був сформований зразок композитного матеріалу, і, нарешті, поверхня зразка була покрита електродом за допомогою високовакуумного апарату магнетронного розпилення. Використовуючи описаний вище процес, було підготовлено два шматки 1-3-2 п’єзоелектричного кераміко-полімерного композитного листа 40 мм * 40 мм * 10 мм. Ширина керамічних стовпів і ширина епоксидної смоли між стовпами становлять відповідно 0,9 і 0,45 мм, а товщина П'єзоелектричний циліндровий перетворювач
 становить 1 мм. Уздовж напрямку товщини композитного матеріалу два шматки композитного матеріалу розрізали на 24 пластини композитного матеріалу довжиною 10 мм, шириною 6,5 і товщиною 10 мм. Резонансна характеристика кожної п’єзоелектричної пластини була виміряна, і 18 з них були відібрані для виготовлення двох замінних пластин. Результати вимірювання продуктивності кожного елемента перетворювачів, узгодженість продуктивності кожного п’єзоелемента хороша, а його резонансна частота майже однакова. На малюнку показана крива вимірювання адмітансу одного з елементів масиву, де всі елементи масиву схожі на нього. 

Будова та процес виготовлення п’єзоелектричного циліндричного перетворювача

3.1 Структура перетворювача

Безліч 1-3-2 п'єзоелектричних композитних матеріалів рівномірно розташовані вздовж кола, щоб утворити круговий масив для створення циліндричного перетворювача. Структура перетворювача показана на зображенні. На даний момент не знайдено жодного перетворювача такої структури. Є відповідні звіти про дослідження.

Композитний циліндричний п'єзоелектричний перетворювач складається з композитного елемента, мідної основи, кронштейна та кришки. Вісімнадцять елементів з композитного матеріалу PZT рівномірно розташовані в канавках кільцеподібної мідної основи по колу, а нижня поверхня елементів з композитного матеріалу прикріплена до мідної основи за допомогою провідного клею. Таким чином, мідна підкладка може не тільки розмістити елементи масиву, але й посилити вібраційне зміщення. Завдяки використанню струмопровідного клею нижній електрод композитного елемента з’єднується з підкладкою, що спрощує процес підведення електрода. Таким чином нижній провід електрода (сигнальну лінію) можна вивести з внутрішньої бічної стінки підкладки мідної трубки та підключити до того самого сигнального кабелю, що й кабель валу. Потім кронштейн і торцева кришка відповідно затискають і фіксують мідну підкладку з двох сторін. Підкладка, кронштейн і торцева кришка ізольовані жорсткою пінопластовою шайбою, а потім зовнішні електроди п’єзоелементів з композитного матеріалу з’єднані з екранованим дротом коаксіального кабелю та герметизовані водонепроникним з’єднанням або водонепроникним клеєм. Нарешті вузол поміщають у форму та заливають поліуретан товщиною близько 2 мм, щоб утворити водонепроникний, звукопроникний та герметизуючий шар. За допомогою описаного вище процесу було експериментально виготовлено два ідентичні циліндричні перетворювачі, а загальні розміри циліндричних перетворювачів після складання становили 70 мм × 15 мм.