针对高机电耦合系数和曲面换能器的应用需求，该文提出一种由压电陶瓷、环氧树脂和硅橡胶三相复合的改进1-3型压电复合材料，基于Newnhams串、并联分析对复合材料的理论模型进行了推导，并利用Matlab进行了数值计算，分析了改性1-3型复合材料的结构参数对厚度机电耦合系数、等效密度和厚度频率常数的影响。结果表明，陶瓷-环氧复合相的体积分数为0.2~0.5，陶瓷-环氧复合相中的压电陶瓷体积分数为0.6~0.7时，改性1-3型压电复合材料的性能参数较好; 利用ANSYS软件对复合材料进行了有限元仿真，将仿真结果与理论计算进行了对比，二者具有较好的一致性，验证了理论模型评估材料性能的准确性。

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察, 其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列, 进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料, 并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整, 机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试, 并利用其对人体皮肤进行了超声成像, 换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明, 软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽, 这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。

与其他压电材料相比, 1-3型压电单晶复合材料具有优异的压电性能和更匹配的声学特性, 更有利于制备出性能优异的超声换能器。该文通过有限元软件COMSOL对复合材料的振动模态及阻抗特性进行了系统的研究, 同时采用皮秒激光制备了高频1-3型Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)铁电单晶/环氧树脂复合材料,并进行了性能表征。该1-3复合材料机电耦合系数为0.65, 声阻抗为19.96 MRayls。该复合材料可用于制备高频超声换能器, 结果表明, 换能器中心频率为17.68 MHz, -6 dB带宽为84.38%, 插入损耗为-25.4 dB。

1-3型压电单晶复合材料结合弛豫铁电单晶与复合材料的优势, 具有压电常数高、机电耦合系数极大、声阻抗低等特点, 是理想的高频发射换能器压电元件。基于1-3型压电单晶复合材料设计并研制了高频宽带发射换能器, 根据理论计算分析了压电单晶复合材料的性能特点, 利用有限元建模仿真优化了换能器结构, 研制的1-3型压电单晶复合材料发射换能器在250~410 kHz范围内发送电压起伏不超过3 dB, 工作带宽达到160 kHz, 最大发送电压响应达178.4 dB, 性能大大优于同尺寸结构的1-3型压电陶瓷复合材料高频换能器。运用1-3型压电单晶复合材料制作高频发射换能器可有效拓宽工作频带, 提高水下声发射能力。

空气耦合超声换能器作为一种无损检测(NDT)的重要设备, 具有广阔应用前景, 但由于压电元件与空气声阻抗失配导致低带宽(BW)、低灵敏度(SNS)及高双程插入损耗等缺陷而阻碍其应用。该文对空气耦合超声换能器制备工艺进行优化, 使用COMSOL软件模拟了压电元件的尺寸设计。同时通过采用1-3型压电复合元件与优化环氧树脂+空心玻璃微珠匹配层调控压电元件与空气的声阻抗, 制备了工作频率400 kHz的空气耦合换能器。在工作频率时, 该换能器的厚度振动模态较纯, 带宽较宽, 灵敏度与双程插入损耗为-38 dB。结果表明, 采用该文自研工艺制备的空气耦合超声换能器具有良好的性能与巨大应用潜力。

为提高柔性可穿戴传感器的电信号输出能力, 设计并制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体, 锆钛酸铅(PZT)为压电相的0-3型压电复合材料。探究了不同固相含量对浆料流变性能的影响。结果表明, 浆料的粘度与剪切模量随银修饰PZT质量分数(w(PZT))的增加而增加, w(PZT)=38%时浆料屈服点为398.1 Pa, 具有最优的可打印性。在电信号测试中, 经银修饰样品最大电压峰-峰可达20.54 V, 约为未经银修饰样品最大电压峰-峰值的5倍。弯曲测试中, 在长度之差ΔL=7 cm时, 样品电压峰-峰值为55 mV, 证明样品具备柔性传感性能。

采用传统固相法制备了在1 130 ℃下烧结而成的(K0.45Na0.55)0.98Li0.02(Nb0.77Ta0.18Sb0.05)O3 (KNLNTS)无铅压电陶瓷。陶瓷致密度和电学性能较好, 致密度达到98%, 室温压电常数为308.7 pC/N, 厚度振动机电耦合系数可达0.5, 1 kHz时介电损耗为0.043。以上述KNLNTS基粉体为原料, 利用切割填充法制备1-3型压电复合材料并研究了厚度对复合材料的性能影响。结果表明, 复合材料的压电常数、厚度振动机电耦合系数均随厚度的增加而增加, 介电损耗随厚度的增加而减少, 而相对介电常数基本保持不变。

1-3型压电复合材料具备优异的机电耦合性能, 这对于高性能压电换能器的开发具有重要意义。该文采用低成本的切割填充法制备了不同结构参数的1-3型PZT/环氧树脂复合材料, 并结合有限元模拟法对其压电性能、机电响应特性和温度稳定性进行了系统地研究。1-3阵列结构对平面方向应变产生了很大的衰减, 使能量更集中于厚度共振模式。复合材料的高径比是影响机电耦合性能的主要因素, 更精细的阵列结构有利于高性能压电换能器的制造。在-20~60 ℃内, 1-3型压电复合材料的厚度机电耦合系数约为0.61, 变化率小于1%,表现出良好的温度稳定性。

3-3型压电复合材料在超声波传感器、水下声学检测等领域有着广泛的应用。锆钛酸铅(PZT)陶瓷通过复合有望制备具有低介电常数、低脆性等优点的复合材料。采用直写成型技术制备了PZT三维木堆结构支架, 结合浸渍法填充环氧树脂制备了3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料。研究了陶瓷相体积分数对3-3型PZT/环氧树脂压电复合材料的介电、压电、铁电性能的影响, 并对比了PZT陶瓷支架与PZT/环氧树脂复合材料的介电与压电性能。研究结果表明, 随着陶瓷相体积分数的增加, 复合材料的介电常数、压电常数及剩余极化强度都会增大, PZT支架具有更大的介电常数、压电常数、压电电压常数; 当陶瓷相体积分数为36%时, PZT支架与PZT/环氧树脂的压电电压常数分别达到151.0 mV·m/N与104.0 mV ·m/N。PZT/环氧树脂复合材料同时具备了压电陶瓷的硬度、电性能, 以及聚合物的柔韧性、低密度等优势, 其应用前景良好。

该文设计了一种基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列, 并采用有限元法分析了阵元的导纳特性。应用有限元法对比分析了基于1-1-3型和1-3型压电复合材料直线型换能器阵列的电导, 以及阵元位置对电导的影响。为进一步验证仿真结果, 该文设计了一种“一体成型”的换能器阵列制备工艺, 并制备了实验样品。实验结果表明, 1-1-3型直线型换能器阵列比1-3型直线型换能器接收灵敏度一致性稳定提高4 dB, 发射电压响应的一致性稳定在0.6 dB内, 有效地提高了高频换能器阵的阵元一致性。