CN109985796A - 一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水声换能器领域，是一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，换能器采用多边形阵元压电复合材料制作，换能器能够有更好的结构形式以及工作带宽。所述的多边形阵元压电复合材料，通过对压电元件进行三次切割形成：切割缝隙尺寸X，第一个方向切割，阵元间距3X；然后旋转120°，进行第二次切割，阵元间距3X；切完后再次旋转120°，阵元间距3X；切割阵元间距为切割缝隙尺寸的3倍。本发明的有益效果为：制作工艺简单，与正方形复合材料相比，有更好的机电耦合效率和工作带宽。该换能器可应用于高频成像声纳、水下探测及避障等。
Description
技术领域
本发明涉及属于水声换能器领域，主要是一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法。
背景技术
随着水声技术迅速发展，要求换能器发射及接收更多的信息，即一个换能器需要覆盖更宽的工作频段，因此换能器宽带技术的研究突显出越来越重要的地位。制作中高频宽带发射换能器是众多声纳系统对换能器的要求之一，然而对高频发射换能器来说，将其制作成宽带换能器具有一定的难度。现行拓宽换能器频带的方法主要有3种：(1)通过复合柔性材料，增大损耗，降低换能元件的机械品质因数(Qm)值，即复合材料；(2)多振动模态耦合；(3)添加匹配层。压电复合材料克服了单相压电材料的缺点，保留了压电相材料的强压电性，利用其制作的换能器具有较高效机电耦合系数。此外，压电复合材料还具有重量轻，声阻抗率低，易于与水的声阻抗相匹配等优势。
压电复合材料广泛地应用在水声换能器和超声换能器中，美国水下作战中心的Kim C.Benjamin和Sheridan Petrie利用压电复合材料制作了标准水听器USRD-F82，美国水下作战中心的Kim C.Benjamin还利用了1-3型压电复合材料制作了安装在AUV和UUV上的换能器，美国海军研究实验室的Thomas R.Howarh等人利用1-3型压电复合材料制作了大面积平板换能器。国内的研究机构也进行了很多的研究工作，中国科学院声学研究所的刘殿峰等人通过调整1-3型压电复合材料换能器中压电相的分布,可以控制换能器辐射面上振动幅度和相位的分布,从而获得具有特殊性能的声场,研究并制备了1-3型压电复合材料非均匀振动换能器,包括边缘型换能器和Fresnel聚焦换能器，西安交通大学的李邓化等人分别分析了形状参数叫和压电陶瓷相体积分数少对1-3型压电复合材料性能的影响,并制作了1-3型压电复合材料圆柱形水听器等。
目前，1-3压电复合材料的制备方法主要有排列-浇铸法、切割-浇铸法、注射成型法等，国内受限于设备因素，主要采用的是切割-浇铸法，压电阵元主要为四方形，通过控制切割间距和缝隙来调节压电相的体积比以及阵元的纵横比，在切割过程中，由于陶瓷的脆性特点，四边形的边角可能会有崩裂现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，换能器采用多边形阵元压电复合材料制作，换能器能够有更好的结构形式以及工作带宽。所述的多边形阵元压电复合材料，通过对压电元件进行三次切割形成：切割缝隙尺寸X，第一个方向切割，阵元间距3X；然后旋转120°，进行第二次切割，阵元间距3X；切完后再次旋转120°，阵元间距3X；切割阵元间距为切割缝隙尺寸的3倍。
所述的多边形阵元压电复合材料，通过调节第二次和第三次切割时的起始位置，获得不同的多边形阵元结构，完全对称时为六边形，不对称时为梯形、等边三角形等。
在压电元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，然后对换能器进行水密封装。
本发明的有益效果为：制作工艺简单，与正方形复合材料相比，有更好的机电耦合效率和工作带宽。该换能器可应用于高频成像声纳、水下探测及避障等。
附图说明
图1为本发明的切割示意图。
图2为本发明的正六边形示意图。
图3为本发明的三角形示意图。
附图标记：压电元件1，聚合物2。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明所述的一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，换能器采用多边形阵元压电复合材料制作，所述的多边形阵元压电复合材料，通过对压电元件1进行三次切割形成：切割缝隙尺寸X，第一个方向切割，阵元间距3X；然后旋转120°，进行第二次切割，阵元间距3X；切完后再次旋转120°，阵元间距3X；切割阵元间距为切割缝隙尺寸的3倍。制作时对压电元件进行120°间隔角度三次切割(图1)，压电陶瓷柱为多边形阵元，切割缝隙的尺寸为刀片厚度X，阵元间距为3X，通过调节第二次和第三次切割时的起始位置，获得不同的多边形阵元结构，完全对称时为六边形(图2)，不对称时为梯形、等边三角形(图3)等，得到不同的压电陶瓷柱纵横比，改善其横向振动的影响，避免在厚度模态附近存在强耦合聚合物共振，同时，多边形结构具有更稳定的形态，压电元件的边角不易崩裂，在元件的缝隙中灌注聚合物2，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，然后对换能器进行水密封装。换能器的优点为：
步骤1：阵元的设计
根据需要的工作频率，设计阵元的厚度尺寸，利用阵元的厚度振动，避免其强耦合振动区域，通过调整横向尺寸，控制阵元的谐振频率，横向尺寸尽量小于厚度方向，阵元的纵横比大于2以上，多边形的边长为0.9mm，压电阵元采用PZT4材料。
步骤2：压电元件的切割
设计合适的夹持模具，将φ50mm的压电陶瓷圆片进行切割，首先进行第一个方向切割，阵元间距2.7mm，切割缝隙0.9mm；然后旋转120°，进行第二次切割，阵元间距2.7mm，切割缝隙0.9mm；切完后再次旋转120°，阵元间距2.7mm，切割缝隙0.9mm。
步骤3：灌注环氧树脂
将元件置于灌注模具中，在阵元的缝隙中填充环氧树脂，在环氧的灌注过程中，要首先对环氧树脂胶进行抽真空处理，防止空气泡的藏匿，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满环氧树脂。
步骤4：研磨及电极处理
为了得到设计的工作频率，对灌注好的多边形压电复合材料进行上下表面的研磨，将其厚度尺寸磨至设计尺寸，然后对表面进行清洁处理，利用磁控溅射或涂刷方式制作银层，从而获得压电复合材料的正极和负极。
步骤5：换能器水密处理
在外侧灌注一层4mm厚度的水密材料，材料为聚氨酯，灌注后将换能器的正负极导线通过带屏蔽的电缆引出，电缆与换能器金属后座之间通过水密电缆头连接。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，其特征在于：换能器采用多边形阵元压电复合材料制作，所述的多边形阵元压电复合材料，通过对压电元件进行三次切割形成：切割缝隙尺寸X，第一个方向切割，阵元间距3X；然后旋转120°，进行第二次切割，阵元间距3X；切完后再次旋转120°，阵元间距3X；切割阵元间距为切割缝隙尺寸的3倍。
2.根据权利要求1所述的多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，其特征在于：所述的多边形阵元压电复合材料，通过调节第二次和第三次切割时的起始位置，获得不同的多边形阵元结构。
3.根据权利要求1或2所述的多边形阵元压电复合材料换能器制备方法，其特征在于：在压电元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，然后对换能器进行水密封装。
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