1-3系压电复合材料及水声换能器研究

论文摘要

本文针对1-3系压电复合材料的结构组成、制备工艺、理论模型和谐振特性等进行了全面、细致的研究,并用1-3-2型压电陶瓷/聚合物复合材料制备了水声换能器及基阵,测量了换能器的相关性能。介绍了1-3系（1-3型和1-3-2型）压电复合材料的结构和制备工艺,研究了利用切割-填充法制备1-3系压电复合材料的工艺流程,确定了制备过程中的典型工艺条件。研究了磁控溅射法制备1-3系压电复合材料电极的制备工艺,分析了两种金属（铜和银）在复合材料表面的沉积速率、两种金属电极的导电性能及附着力。根据压电材料各项性能的测量方法,测量了1-3型和1-3-2型两种复合材料样品的各项性能,并分析、比较了两种复合材料的性能与结构的关系。实验研究了两种复合材料样品压电、介电性能参数随静水压力和垂向压力的变化情况,以及复合材料的温度稳定性,结果显示两种材料均具有较好的压力和温度稳定性。将串并联理论、均匀场理论、混合定律和1-3型压电复合材料的研究结果用于1-3-2型复合材料宏观等效性能参数计算公式的推导,建立了1-3-2型压电复合材料的宏观等效性能理论模型,并将复合材料性能参数的理论计算与样品的测量结果进行了比较,对理论推导进行了验证,结果表明复合材料性能的计算值与实验结果吻合较好。将方形薄片压电晶体振动模式的研究结果用于分析1-3系方形薄片压电复合材料,得到影响1-3系方形复合材料薄片厚度振动的主要干扰振动是轮廓振动模Ⅲ。利用复合材料的等效性能参数的计算公式,得到了复合材料厚度伸缩和轮廓伸缩模Ⅲ谐振频率的计算公式,通过理论和实验分析了复合材料的内部结构参数和外形尺寸对其谐振性能的影响,得到了具有较纯厚度振动模的方形薄片1-3-2型压电复合材料的最佳厚宽比范围,为压电复合材料的研究和制备提供了理论参考。利用1-3-2型压电复合材料设计、制作了谐振频率在300kHz左右的平板式换能器及基阵。测量了换能器及阵的相关性能,得到了不同阵形的指向性。设计、研制了谐振频率在72kHz的圆柱型1-3-2复合材料水声换能器,测量了换能器的发射响应、接收灵敏度及指向性,分析了换能器结构对其性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 压电复合材料
• 1.1.1 压电复合材料概况
• 1.1.2 压电复合材料分类
• 1.2 1-3型压电复合材料
• 1.2.1 1-3型压电复合材料研究现状
• 1.2.2 1-3型压电复合材料等效参数的理论研究
• 1.2.3 1-3型压电复合材料振动模的研究
• 1.2.4 1-3型压电复合材料制备工艺和技术研究
• 1.2.5 1-3型压电复合材料结构改进的研究
• 1.2.6 1-3型压电复合材料的应用研究
• 1.3 水声换能器
• 1.3.1 水声换能器发展
• 1.3.2 常用水声换能器介绍
• 1.3.3 1-3型压电复合材料换能器
• 1.4 压电复合材料及其换能器的发展趋势
• 1.4.1 压电复合材料发展趋势
• 1.4.2 压电换能器发展方向
• 1.5 论文研究内容
• 参考文献
• 第二章 1-3系压电复合材料的制备
• 2.1 1-3系压电复合材料结构
• 2.2 1-3系压电复合材料的制备
• 2.2.1 复合材料中两组份材料的选取
• 2.2.2 复合材料的制备工艺
• 2.3 1-3系压电复合材料的电极制备
• 2.3.1 磁控溅射镀膜法简介
• 2.3.2 1-3系复合材料电极制备工艺流程
• 2.3.3 电极性能测试方法
• 2.3.4 电极性能测试
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 1-3系压电复合材料的性能测试
• 3.1 1-3系压电复合材料的常温、常压性能
• 3.1.1 复合材料密度的测量
• 3.1.2 复合材料介电常数的测量
• 3.1.3 复合材料压电性能参数测试
• 3.1.4 复合材料谐振特性测量、分析
• 3.1.5 机电耦合系数的测量
• 3.2 1-3系压电陶瓷/聚合物复合材料的压力稳定性测试
• h的测量'>3.2.1 静水压压电应变常数d_h的测量
• 3.2.2 等静压测试
• 3.2.3 定向压力测试
• 3.3 1-3系压电陶瓷/聚合物复合材料的温度稳定性测试
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 1-3系压电复合材料等效参数理论模型的研究
• 4.1 1-3型压电复合材料理论模型
• 4.1.1 1-3型压电复合材料等效性能参数模型
• 4.1.2 1-3型压电复合材料等效参数计算值与实验值的比较
• 4.2 1-3-2型压电复合材料等效参数模型的建立
• 4.2.1 均匀场理论
• 4.2.2 材料的本构关系
• 4.2.3 压电方程的简化
• 4.2.4 1-3-2型复合材料压电方程等效参数推导
• 4.2.5 1-3-2型复合材料等效性能参数计算
• 4.2.6 1-3-2型压电复合材料其它等效性能参数的计算
• 4.2.7 1-3-2型复合材料性能与压电相体积分数的关系
• 4.3 1-3-2型复合材料等效性能参数计算值与实验结果比较
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 研究1-3系压电复合材料的谐振特性
• 5.1 1-3系方形薄片压电复合材料的振动模
• 5.1.1 方形薄片晶体的振动模
• 5.1.2 有限元分析1-3系复合材料方形薄片轮廓振动模
• 5.2 1-3系压电复合材料谐振性能参数的计算
• 5.2.1 计算1-3型复合材料谐振性能参数
• 5.2.2 1-3-2型复合材料谐振性能参数计算
• 5.3 陶瓷体积分数对1-3系复合材料谐振性能的影响
• 5.3.1 理论分析
• 5.3.2 有限元法分析1-3-2型复合材料谐振特性
• 5.3.3 复合材料厚度谐振性能的实验分析
• 5.3.4 复合材料轮廓伸缩模Ⅲ皆振性能的实验分析
• 5.4 1-3-2型复合材料外形尺寸对谐振性能的影响
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 1-3-2型压电复合材料水声换能器及阵的研制
• 6.1 表征水声换能器性能的主要参数
• 6.2 换能器性能测量方法
• 6.3 1-3-2型复合材料平板式换能器
• 6.3.1 换能器结构
• 6.3.2 换能器的设计、仿真
• 6.3.3 换能材料的制备
• 6.3.4 换能器的制作
• 6.3.5 换能器的性能
• 6.4 1-3-2型复合材料换能器阵
• 6.4.1 换能器阵简介
• 6.4.2 1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵
• 6.4.3 1-3-2型复合材料矩形平面阵
• 6.5 1-3-2型复合材料圆柱型换能器
• 6.5.1 换能器结构设计
• 6.5.2 换能器的仿真和结构优化
• 6.5.3 换能器阵元的选配
• 6.5.4 换能器的制作工艺
• 6.5.5 换能器性能测试
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结
• 7.1 论文主要研究内容及结果
• 7.1.1 研究内容
• 7.1.2 论文研究结果
• 7.2 论文的主要创新
• 7.3 进一步的研究建议
• 致谢
• 附录1 论文中所用材料参数表
• 附录2 攻读学位期间发表的论文、申请的专利和参与的项目