型压电复合材料的发展历程

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摘要:1-3型压电复合材料由于其本身具有低声阻抗,易与水和皮肤等介质进行阻抗匹配,介电常数低等优势,在换能器上的应用十分普遍。本文综述了1-3型压电复合材料的发展历程,制备工艺,结构特点,及制作的超声换能器在不同领域的应用。为进一步优化材料性能,实现其在超声换能器中的广泛应用提供了良好的科学依据。

0引言

1 1-3型压电复合材料

图1 1-3型复合材料结构图

1.1 1-3型压电复合材料的制备

常见的1-3型压电复合材料的制备工艺有排列浇筑法、切割填充法、脱模法、注射法、流延层叠法、电介质法、挤压法、激光超声波切割法等。其中主要采用的有两种,一是排列浇筑法,工艺比较成熟,将陶瓷小柱按要求灵活分布排列在模板上,在真空下灌注环氧树脂等聚合物,高温固化,切割或磨制成所需厚度,镀上电极、极化,制成1-3型压电复合材料,压电陶瓷柱的排列课规则也可不规则,分布较为灵活,但是陶瓷较脆导致材料成品率低;二是切割填充法,该工艺比较简单,将已极化的压电陶瓷切割成均匀排列的立柱,灌注环氧树脂,抽真空、固化,磨去未切通的部分而制成,所制得的陶瓷柱最细约为75 – 100μm,能比较灵活控制陶瓷柱的粗细。不足在于其工艺成本高,存在原材料浪费。

1.2 1-3型压电复合材料在换能器中的应用

对于换能器,拥有大带宽和高灵敏度是换能器的重要要求,基于此提出了一种基于分形几何的新型1-3压电复合材料设计,SG分形几何的基本形状是一个等边三角形,通过将整个等边三角形递归细分成几个类似的等边子三角形,实现更高代的分形结构,如图2。在接收模式下,SG分形器件可以在较宽的频率范围内工作,但与其他两种器件相比,灵敏度较低;在发射模式下,SG分形器件具有较宽的带宽和较高的灵敏度。

图2 SG分型几何结构0-2级

在生物医学工程领域,超声换能器在超声医疗诊断中的应用也是一个研究热点。王科鑫等制成1-3压电复合材料壳式聚焦换能器,相比较于普通陶瓷换能器改善了带宽、机电转换率,降低了阻抗,能在提升高强度聚焦医疗设备的性能方面起到重要作用;还有学者将1-3型压电复合材料应用于血管内的超声成像,由于血管较小,血管内的超声成像一般横向分辨率较小,通过采用PZT/环氧树脂1-3压电复合材料制作成的聚焦式换能器有效的改善了这一缺点,通过表明1-3型压电复合材料换能器在生物医学领域有着光明的发展前景。

2 1-3型压电换能器的改进

1-3压电复合材料在医学超声换能器和水下应用已经非常广泛,然而,当加热或受到机械负载时,它们很容易变形。为了克服上述困难,提高压电复合材料的稳定性,设计了1-3-2型压电复合材料,其结构如图3。1-3-2型为1-3型加陶瓷基底改进而成,除了低密度、宽带和高灵敏度等优点外,具有稳定的机械特性和温度特性。

图3 1-3-2 型复合材料结构图

2.1 1-3-2型压电复合材料在换能器中的应用

3结论

本文主要对1-3型压电复合材料的发展历程、理论基础及其在换能器中的应用等方面进行了阐述,并详细介绍了改进后的1-3型压电复合材料制成的换能器性能及应用方面的发展现状。在不同的应用领域,1-3型压电复合材料换能器相比于普通陶瓷制成换能器的优势较为明显而又不同,如制作的水声换能器具有灵敏度高,静水压压电常数大等优点;在光声成像中,换能器信噪比和带宽都有明显提高,在医学超声中的1-3压电复合材料壳式聚焦换能器降低了阻抗,提高了聚焦强度等。然而,虽然1-3型压电复合材料超声换能器的优势突出且应用范围广,但是其制作工艺比较繁琐,不同的应用领域两相材料的体积分数以及结构差异都会导致性能的不同,因此需要找到各个领域材料参数的最优值以达到材料性能最优。另外,材料在受外力或者受热时极易发生变形,这会严重影响相关声学辐射特性。同时,结构中存在不导电的聚合物,电极引出困难等也都会制约其应用。

总的来说,1-3型复合压电材料的应用涉及材料、声学、生物医学、机械等各个学科领域,声子晶体这个课题的研究引起了学者们极大地兴趣,从结构来看,1-3型压电复合材料与二维声子晶体十分相似,将二者结合,对1-3型压电复合材料换能器的振动特性进行改善,将会极大地促进压电换能器的性能提高和应用拓展。这些最新的研究进展都表明1-3型压电复合材料已经逐渐得到越来越多研究人员的关注,表现出了良好的应用前景,因此我们应该充分利用1-3型压电复合材料的各种优势,进一步的优化压电换能器的性能参数,从而更广泛的拓展其应用领域并使其发挥出更大的工业价值。

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原文标题:1-3型压电复合材料超声换能器的研究进展

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