用于医学超声成像系统的新型1-3无铅压电复合材料的研究

论文摘要

医学超声技术因其具有无电离辐射、成本低、对软组织的鉴别能力高、易操作等优点,成为医学影像技术中不可替代的支柱。近年来,随着声学原理和电子计算机科学的迅速发展,超声成像技术有了很大的进步,成为临床诊断中必不可少的甚至是首选的方法。超声诊断设备中,换能器是超声波发射和回波接收器件,是超声医学成像中最重要的声学部件,直接影响了医学超声成像的质量。故从医学超声发展的趋势来看,高性能的换能器将是对成像系统影响的关键器件。目前医用换能器已经用到的复合材料基本都是1-3型压电陶瓷/高分子聚合物的复合材料。此种压电复合材料是压电陶瓷和高分子聚合物按一定方式相结合的产物,集压电相和非压电相两者优点于一身。但目前这种材料多是含铅复合材料（因为现在实用的压电陶瓷基本都是以含铅的PZT为基础的）,在使用过程、生产过程及废弃后的处理过程中,这些含铅的材料及器件都会给环境和人类带来一定的危害。由于环保、社会可持续发展及材料使用性能要求的提高,对无铅压电复合材料的研究与开发成了当务之急,是从源头上减小和遏制铅污染的重要举措之一。现有的无铅陶瓷中,存在一些介电常数小、机电耦合系数大、频率常数高、强度大的材料,但在工作温度、稳定性、自身结构等方面存在一定的欠缺。针对这些不足及其局限性,如果结合高聚物自身柔韧、声阻抗低、易与组织匹配的优点,将两者复合,预测可以形成适用于医用超声换能器的新型无铅压电复合材料。对于现阶段无铅压电陶瓷及无铅压电复合材料在实验工作存在一定的困难,可以利用有限元法对1-3型无铅压电复合材料进行理论推算以指导新型无铅压电复合材料的研究与制备工作。压电复合材料的特性与其组成材料（压电陶瓷和高聚物）的特性及其组成比例、连通方式等很多影响因素有关。因此,研究影响复合材料特性的因素具有重要的实际意义。通过大型通用软件ANSYS对压电材料进行分析,通过建模、定义材料属性、网格划分、耦合、定义电压等步骤,对无铅压电复合材料分别从静态和动态模拟,最后可以得到1-3无铅压电复合材料的性能指标。通过静态分析可以得到复合材料的压电常数、相对介电常数、刚度常数;通过模态分析和谐波相应分析可以分别得剑复合材料的机电耦合系数、频率、阻抗等。在分析过程中,通过改变、陶瓷含量、陶瓷空间尺寸、陶瓷空间排列方式、压电相和非压电相材料几个方面,得到不同条件下不同复合材料的性能参数。从ANSYS进行模拟分析所得的结果中可以看出,不同的因素对复合材料的影响不同,但整体1-3型无铅压电复合材料的压电系数、机电耦合系数较高、谐响应频率较高,从而从理论上预见了这种思想的可行性及这两种材料制备的无铅压电复合材料住医学超声方面的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和研究现状
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 主要研究内容和所做工作
• 1.3.1 压电材料的影响因素
• 1.3.2 数值模拟思想
• 第2章 医学超声成像系统
• 2.1 医学超声成像系统的现状及发展趋势
• 2.1.1 医学超声成像系统的发展及应用现状
• 2.1.2 医学超声成像系统的发展趋势
• 2.2 医学超声成像系统的构造
• 2.3 医学超声成像系统的核心组件
• 2.4 本章小结
• 第3章 压电复合材料及其改进设想
• 3.1 压电材料的发展
• 3.1.1 压电材料的发展简史
• 3.1.2 压电复合材料简介
• 3.1.3 1—3 型压电复合材料
• 3.2 1—3 型复合材料的压电相和非压电相
• 3.2.1 复合材料的压电相
• 3.2.2 复合材料压电相的改进
• 3.2.3 复合材料的非压电相
• 3.3 1—3 型压电复合材料的制备
• 3.4 1—3 型压电复合材料的理论模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 新型 1—3 无铅压电复合材料的有限元研究
• 4.1 有限元法概述
• 4.1.1 几种常见的数值方法
• 4.1.2 有限元法的应用和优点
• 4.1.3 有限元法的思路
• 4.1.4 ANSYS的引入
• 4.2 ANSYS简介
• 4.2.1 ANSYS软件功能介绍
• 4.2.2 ANSYS分析的一般步骤
• 4.3 压电复合材料的有限元分析方法
• 4.3.1 ANSYS中的耦合问题
• 4.3.2 基本耦合公式
• 4.3.3 ANSYS提供的分析类型
• 4.3.4 所选用的有限元单元
• 4.3.5 ANSYS分析压电复合材料的一般步骤
• 4.4 新型1—3无铅压电复合材料的静力学分析
• 4.4.1 有限元的理论分析
• 4.4.2 1—3无铅压电复合材料的静力学分析
• 4.5 新型1—3无铅压电复合材料的动力学分析
• 4.5.1 有限元的理论分析
• 4.5.2 1—3型无铅压电复合材料的动力学分析
• 4.6 新型 1—3无铅压电复合材料有限元计算结果
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果