球面状1-3型压电复合陶瓷材料研究

管 弦，鲜晓军,李洪平，刘振华,刘良芳，汪红兵，王登攀

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

压电复合材料通常由压电陶瓷和高分子聚合物按一定的连通方式、体积或质量比，通过特定空间几何分布复合而成。平面状1-3型压电复合陶瓷材料作为一种新型的功能材料，其具有声阻抗低，与水和有机材料的声阻抗匹配，机电转换效率高及工艺制作简单等优点，广泛应用于超声水声换能器和传感器的研制[1-3]。随着蛙人载具、水下无人潜水器(UUV)等小型水下装备的发展，舰艇及港口面临的水下威胁日益严峻。为防御上述小型目标的威胁，要求用于港口防御的声呐浮标等设备装配高频宽带及宽波束的水声发射换能器及其阵列，平面状1-3型压电复合材料不能满足该类型器件的研制。由于球面状1-3型压电复合材料与换能器件在工作频带内具有模态单一，高频时可实现宽波束等优点，随着高频、宽波束换能器及其阵列应用领域的不断扩大，近年来球面状1-3型压电复合材料及换能器已成为新的研究热点[4-9]。

1 球面状1-3型压电复合材料理论分析

球面状 1-3型压电复合材料由沿球面均匀分布的压电陶瓷基元与聚合物组成，电极为球面的内、外表面，陶瓷柱的极化方向沿径向方向(见图1)，1-3型压电复合材料陶瓷相的体积分数为v1。

图1 球面状1-3型压电复合材料结构图

由于球面状1-3型压电复合陶瓷材料与平面状1-3型压电复合陶瓷材料空间分布相同，由此可采用平面状1-3型压电复合陶瓷材料来分析球面状1-3型压电复合陶瓷材料的各种特性。1-3型压电复合陶瓷材料的横、纵向应变及电位移计算表达式为

(1)

(2)

(3)

式中：上标c，p及pc分别为陶瓷相、聚合物相及1-3型压电复合材料；S，T分别为应变和应力张量；D和E为电位移和电场强度；εT，sE及d分别为恒应力下的介电强度、恒电场下的弹性柔顺常数及压电常数。

1-3型压电复合陶瓷材料声学特性厚度方向的机电耦合系数(kt)、声阻抗(Z)及纵向声速(vD33)的表达式为

(4)

(5)

(6)

式中ρ和cD33分别为1-3型压电复合陶瓷材料的密度与短路刚度常数。

假设1-3型压电复合陶瓷材料的等效厚度为t，由式(6)可计算出1-3型压电复合陶瓷材料厚度方向共振频率为

(7)

2 球面状1-3型压电复合陶瓷材料有限元分析与试验制作

根据理论设计与工程应用需要，对球面状1-3型压电复合陶瓷材料进行了有限元设计与分析，有限元模型如图2所示。运用ANSYS建模对其进行谐响应分析，其数值模拟导纳曲线如图3所示。根据理论设计的几何尺寸，试验制作了球面状1-3型压电复合陶瓷材料，制作工艺采用切割填充平面压电陶瓷弯曲成型制作而成，其工艺流程如图4所示。试验制作过程中，采用对外形尺寸为90 mm×5 mm的PZT-41型压电陶瓷切割填充后弯曲成型。其中，有机物填充切缝宽为0.3 mm,弯曲成型后的曲率半径为50 mm。图5为试验制作出的1-3型球面状压电复合材料试验样品，对试验样品进行了测试，测试的导纳曲线如图6所示。由图4～6可知，球面状1-3型压电复合陶瓷材料具有在工作频带内模态单一，宽频带等特性，可用于研制高频宽波束水声换能器件及其阵列。

图2 1-3型压电复合材料有限元模型

图3 球面状1-3型压电复合陶瓷材料导纳仿真曲线

图4 球面状1-3型压电复合材料切割填充弯曲成型工艺示意图

图5 球面状1-3型压电复合陶瓷材料实物图

图6 球面状1-3型压电复合陶瓷材料导纳测试曲线

3 基于球面状1-3型压电复合材料换能器的仿真设计

为了验证研制的球面状1-3型压电复合陶瓷材料的声学特性，利用1-3型压电复合陶瓷材料的低声阻抗、低机械品质因数(Q)值，高频工作模态单一等优点，设计了基于球面状1-3型压电复合材料的高频宽波束换能器。换能器由压电复合材料、背称、聚氨酯透声橡胶等组成，其结构设计示意图如图7所示。根据设计尺寸，运用有限元ANSYS软件仿真分析了换能器的导纳曲线和发射电压响应曲线，其理论计算曲线如图8、9所示。由图8、9可知，基于球面状1-3型压电复合陶瓷材料设计的高频水声换能器在200～400 kHz频带内，只有单一谐振峰，最大发射电压响应达165 dB，-3 dB带宽近70 kHz，具有高频工作时模态单一，宽带及可实现宽波束辐射等特点，可广泛应用于水下声探测与三维成像等方面。

图7 球面状1-3型压电复合材料的高频宽波束换能器

图8 球面状1-3型压电复合材料高频宽波束换能器导纳仿真曲线

图9 球面状1-3型压电复合材料高频宽波束换能器发射电压响应仿真曲线

4 结束语

本文分析了球面状1-3型压电复合陶瓷材料的压电特性与声学特性，并给出了相关参数的计算表达式。通过切割填充弯曲成型工艺路线，成功制作出了球面状1-3型压电复合陶瓷样品，并进行了性能测试，试验结果和仿真结果吻合较好。通过有限元仿真验证了基于球面状1-3型压电复合材料设计的水声换能器高频工作时，具有模态单一，宽带及宽波束辐射等特点，该换能器可广泛应用于水下声探测与三维成像等方面。