陶瓷體積分?jǐn)?shù)對壓電換能器性能影響

李 星,王麗坤,仲 超,張彥軍

(北京信息科技大學(xué) 北京市傳感器重點實驗室，北京 100192)

0 引言

水聲換能器能將電聲信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，被廣泛應(yīng)用在聲吶系統(tǒng)中。目前，為了克服目標(biāo)隱身技術(shù)給探測帶來的困難，提高對各種目標(biāo)的探測能力，對換能器的發(fā)射功率、靈敏度等各項性能提出了更高的要求；同時，隨著水下探測和水聲通信的發(fā)展，不斷地要求增大換能器的探測距離，也要求換能器具有更高的發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度。作為水聲換能器核心換能材料—壓電材料，已被廣泛應(yīng)用于聲學(xué)換能器[1-2]。1-3型壓電復(fù)合材料是一種寬頻帶、高機(jī)電耦合系數(shù)、低密度及低聲阻抗的新型壓電材料，現(xiàn)已廣泛用于各種高頻水聲換能器。壓電復(fù)合材料中壓電相材料的體積分?jǐn)?shù)是影響復(fù)合材料性能的一個重要因素，許多研究人員已開展了相關(guān)的研究。Cunfu He等[3]通過仿真計算了換能器在壓電材料體積分?jǐn)?shù)為30%時的激勵/接收性能；Vitaly Yu.等[4]研究了陶瓷體積分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料壓電性能的影響，將1-3型無鉛復(fù)合材料用作壓電傳感器、水聽器；Zhou sheng等[5]對比了體積分?jǐn)?shù)分別為15%和60%的壓電換能器，得到體積分?jǐn)?shù)為60%的壓電換能器具有更高的靈敏度；孫敏[6]提出壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為40%～60%時，制備的換能器性能較好，但未通過實驗去驗證；劉鵬[7]通過有限元仿真研究了壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)對1-3型壓電復(fù)合換能器共振頻率的影響，隨著壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)的增加，換能器的前兩階共振頻率增大，二者的差值隨著壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)的增加而增大；軒倩倩[8]研究了高體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能。由于上述研究缺乏系統(tǒng)性，同時未給出壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)、接收靈敏度之間的規(guī)律，為此，本文通過有限元分析和實驗研究了不同壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)(vc)對1-3型壓電復(fù)合材料換能器收發(fā)性能的影響。

1 壓電振子的有限元分析

通過壓電振子的振動分析可以預(yù)測換能器的收發(fā)性能。本文采用有限元分析軟件ANSYS分析了1-3型壓電復(fù)合材料振子的振動特性，用以預(yù)測換能器的收發(fā)性能。首先建立1-3型壓電復(fù)合材料的實體模型，如圖1所示。它由一維連通的壓電小柱平行嵌于三維連通的聚合物中構(gòu)成，其極化方向與壓電相小柱厚度方向相同。圖中a、b和t分別表示復(fù)合材料的長度、寬度和厚度，zw和fw分別表示壓電柱的寬度和聚合物的寬度，故復(fù)合材料中壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為

(1)

圖1 1-3型壓電復(fù)合材料振子結(jié)構(gòu)

保持zw不變，改變fw，得到vc分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.7，0.9的7種1-3型壓電復(fù)合材料。復(fù)合材料仿真模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 7種復(fù)合材料的幾何規(guī)格

由于1-3型壓電復(fù)合材料的電極層很薄，建模時可忽略其影響。根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件建立壓電振子的仿真模型，如圖2所示。

圖2 1-3型復(fù)合材料壓電振子的有限元模型

仿真模型中壓電相材料選取PZT-5A。PZT-5A為各向異性材料，單元類型選用三維耦合場固體單元Solid5。聚合物材料為環(huán)氧樹脂，單元類型為Solid45。

PZT-5A材料密度ρ=7.75×103kg/m3，其剛度矩陣：

1010(N/m2)

(2)

壓電常數(shù)矩陣：

(3)

介電常數(shù)矩陣：

(4)

環(huán)氧樹脂的密度、楊式模量和泊松比分別為1 050 kg/m3，3.6109N/m2，0.35。

對復(fù)合材料的上表面施加電壓1 V，下表面施加電壓0，掃頻范圍為200～450 kHz，阻尼系數(shù)為0.08。改變模型中的vc(0.1～0.9)，進(jìn)行諧響應(yīng)計算，利用后處理器拾取各點的聲壓，計算振子的發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度，結(jié)果分別如圖3、4所示。

圖3 仿真換能器射送電壓響應(yīng)曲線

圖4 仿真換能器接收靈敏度曲線

由圖3可見，換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)隨著vc的增大而增大，當(dāng)vc=0.5時，發(fā)射點電壓響應(yīng)趨于穩(wěn)定值。由圖4可見，當(dāng)vc=0.2～0.5時，接收靈敏度較高；當(dāng)vc>0.5時，接收靈敏度逐漸降低。

2 1-3型復(fù)合材料及其壓電振子的制備

實驗中壓電陶瓷相選取PZT-5A ，聚合物相選取環(huán)氧樹脂WSR618，其相關(guān)參數(shù)分別如表2、3所示。

表2 PZT-5A的相關(guān)參數(shù)

表3 環(huán)氧樹脂WSR618的相關(guān)參數(shù)

本文采用切割填充法研制了1-3型壓電復(fù)合材料，其制備流程如圖5所示。首先按照仿真所選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用MacroAce 切割機(jī)對壓電陶瓷沿互相垂直，且都與厚度方向垂直的x，y兩個方向進(jìn)行切割，保留基底，得到5個尺寸均為30 mm×30 mm×7.5 mm、陶瓷柱之間縫隙分別為0.29 mm，0.44 mm，0.87 mm，1.24 mm，1.85 mm的壓電陶瓷骨架。各陶瓷骨架四周用膠帶粘接，將配好的環(huán)氧樹脂填充在不同的壓電陶瓷骨架中，放入真空箱中抽真空排除氣泡，室溫固化12 h；將固化好的1-3型復(fù)合材料表面進(jìn)行打磨，去基底，得到厚為5 mm、vc分別為0.2，0.3，0.4，0.6，0.7的壓電復(fù)合材料。清潔表面，用磁控濺射儀在復(fù)合材料表面濺射厚為2 μm的銀電極，在1-3型復(fù)合材料兩電極表面焊接導(dǎo)線，制成各壓電振子。1-3壓電復(fù)合材料的樣品實物如圖6所示。

圖5 1-3型復(fù)合材料及其壓電振子的制備流程

圖6 1-3型壓電復(fù)合材料實物

3 1-3型復(fù)合材料換能器的制作

應(yīng)用上述5種壓電復(fù)合材料制備了水聲換能器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，包括壓電復(fù)合材料、背襯、防水透聲層、前蓋板、電纜。其中背襯采用吸聲效果較好的硬質(zhì)泡沫塑料，前蓋板采用鋁，用環(huán)氧樹脂將前蓋板、背襯、壓電復(fù)合材料粘接固定，然后將1-3型壓電復(fù)合材料上焊接的引線連接到輸出電纜上，最后將其放入灌注模具中用聚氨酯灌封。圖7(b)為灌封后的換能器實物照片，換能器實際尺寸為40 mm×40 mm×25 mm。

圖7 1-3型壓電復(fù)合材料換能器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖7所示的換能器結(jié)構(gòu)制作換能器，制作流程如圖8所示。

圖8 換能器的制作流程

3.1 換能器部件設(shè)計

3.1.1 吸聲層的設(shè)計

本文的壓電振子為平面方形結(jié)構(gòu)，故吸聲層也設(shè)計成邊長為30 mm，厚10 mm的平面方形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖9所示。吸聲層的材料采用硬質(zhì)泡沫，用以吸收聲波，避免聲波反射。

圖9 吸聲層結(jié)構(gòu)尺寸圖

3.1.2 灌注防水透聲層模具的設(shè)計

為使發(fā)射面平整，灌注模具設(shè)計為方形，模具材料選用輕質(zhì)鋁。因為鋁材料制作的模具表面光滑，能使灌注而成的換能器表面特別是發(fā)射面較平滑，換能器的發(fā)射性能可以得到有效提升。另外，鋁材料的模具導(dǎo)熱性較好，有利于聚氨酯材料的固化。模具實物由方形框和下面的底座構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸為50 mm×50 mm×40 mm(長×寬×高)，如圖10所示。

圖10 模具實物

3.2 換能器的制作

將外部線纜與振子各電極引出的導(dǎo)線連接，并將制作好的振子固定在灌注模具的底座上，然后放入模具中，底座與方形框的連接處也用硅橡膠進(jìn)行密封，防止聚氨酯外溢。振子的發(fā)射面與底座垂直，并與模具的側(cè)面平行，該側(cè)面到振子發(fā)射面的距離即為計算所得的防水透聲層的厚度。防水透聲層的厚度一般為λ/4(λ為波長)。波長的計算公式為

(5)

式中：c=1 500 m/s為聲波在水中的波速；f為壓電振子的串聯(lián)諧振頻率。準(zhǔn)備完畢后，制備聚氨酯，并對壓電振子進(jìn)行灌封，制備復(fù)合材料壓電換能器(見圖7(b))。

利用水聲測試系統(tǒng)對5個換能器的水中性能分別進(jìn)行測試。首先將換能器放入消聲水池浸泡2 h，再將其安裝在水下測試系統(tǒng)的固定位置進(jìn)行測試。測得換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度的曲線分別如圖11、12所示。

圖11 實測換能器發(fā)射電壓響應(yīng)曲線

圖12 實測換能器接收靈敏度曲線

由圖11可見，當(dāng)vc=0.2～0.4時，換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)迅速增大；當(dāng)vc=0.4～0.7時，發(fā)射電壓響應(yīng)趨于穩(wěn)定值173 dB。這是由于隨著vc的增大，復(fù)合材料的壓電常數(shù)逐漸增大，壓電效應(yīng)增強(qiáng)，故換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)逐漸增大。由圖12可看出，當(dāng)vc=0.2～0.4時，換能器的接收靈敏度呈增長趨勢；當(dāng)vc=0.4～0.7時，接收靈敏度逐漸減小，當(dāng)vc≈0.4時，接收靈敏度達(dá)到-180.4 dB。這是由于vc=0.2～0.5時，機(jī)電耦合系數(shù)逐漸增大；當(dāng)vc>0.5時，相對介電常數(shù)迅速增大，機(jī)電耦合系數(shù)趨于穩(wěn)定值，接收靈敏度呈下降趨勢。機(jī)電耦合系數(shù)和相對介電常數(shù)曲線如圖13所示。

圖13 機(jī)電耦合系數(shù)和相對介電常數(shù)虛線圖

將第2節(jié)仿真的壓電振子水中的發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度與實驗制作的換能器的測試結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖14所示。

圖14 實驗與仿真對比圖

由圖14可見，實驗與仿真結(jié)果的趨勢基本吻合。誤差原因是由于仿真中僅對復(fù)合材料壓電振子模型進(jìn)行計算，而非換能器整體模型，加之實驗制備的復(fù)合材料的參數(shù)與仿真中的參數(shù)存在差異所致。

4 結(jié)束語

本文通過仿真和實驗分析了壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)與1-3型壓電復(fù)合材料壓電換能器的收發(fā)性能之間的關(guān)系。實驗與仿真結(jié)果變化趨勢基本一致，兩者結(jié)果均表明,壓電換能器諧振點的發(fā)射電壓響應(yīng)隨著陶瓷體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，當(dāng)陶瓷體積分?jǐn)?shù)在0.4～0.7時，發(fā)射電壓響應(yīng)趨于173 dB；當(dāng)陶瓷體積分?jǐn)?shù)為0.4時，接收靈敏度達(dá)到-180.4 dB。

綜上分析，復(fù)合材料的陶瓷體積分?jǐn)?shù)約為0.4時，1-3型復(fù)合材料換能器具有較高的發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度，為進(jìn)一步提高換能器的性能奠定了基礎(chǔ)。