高频压电单晶复合材料宽带换能器研究

新型弛豫铁电单晶材料是近年来发展起来的具有极高压电性能的新材料，它的压电常数是目前PZT压电陶瓷的数倍，应用于水声换能器将对装备性能带来革命性变化。本项目基于材料器件一体化研究思路，通过复合材料结构设计实现宽带，选用高压电活性的新型弛豫铁电单晶作为压电相，在深入研究单晶介电、压电和力学性能及其随外场变化规律的基础上，建立宽带压电单晶复合材料的理论模型，确立压电单晶复合材料特性（如压电系数、介电常数、声阻抗等）与它的结构参数（包括几何尺寸）的关系，采用新材料、设计新结构，并优化压电单晶复合材料的设计参数，制备宽带单晶压电复合材料，通过换能器的结构设计和优化研制具有较高灵敏度的新型宽带换能器。

提出了一种新型的压电复合材料结构，它由压电陶瓷基板和1-3型压电复合材料串联构成，兼有1-3型压电复合材料的低密度、声阻抗易与水和生物组织匹配、宽带和高灵敏度等特性，又具有稳定的机械和温度特性。.根据该新型压电复合材料结构特点，建立相应的理论模型。推导了新型压电复合材料的密度、介电和压电常数与复合材料组成相材料参数和结构参数之间关系式。利用有限元分析法，分析压电复合材料的频率特性，为复合材料的设计奠定了基础。.对该新型压电复合材料制备工艺流程中关键工艺过程进行了较为详细的研究。例如：研究复合材料制备过程中浇注和固化工艺，以及在实验室里配胶过程中产生大量气泡难以排除的问题等，形成了压电单晶复合材料制备工艺流程，为小批量制备复合材料建立了规范。.设计并制备了用于比对的压电陶瓷复合材料，通过样品的测试，可知结果：压电单晶复合材料的压电性能远高于压电陶瓷复合材料的压电性能，压电单晶复合材料的谐振频率低于压电陶瓷复合材料的谐振频率。.换能材料采用新型压电复合材料，结构采用精确定位、解耦的多元密排线列阵形式，设计了4元水声换能器线列阵。制定了水声换能器阵的制作工艺流程，研制了水声换能器阵样品。测量结果表明：采用该新型压电复合材料的水声换能器阵具有宽带、高灵敏度、性能稳定等特点。压电单晶复合材料换能器的带宽大于压电陶瓷复合材料换能器的，压电单晶复合材料换能器的谐振频率低于压电陶瓷复合材料换能器的谐振频率。