含缺陷悬空超顺排碳纳米管薄膜热声效应的理论和实验研究

The superaligned carbon nanotube thin film is a new nano-material with significant thermoacoustic effects. The thin film is capable of emitting high frequecy and precision ultrasonic when an alternating current is applied, and could be used in the development of new generation of ultrasonic therapeutic equipments and acoustic levitation devices. Experimental results show that defects in thin film could affect the distribution of the sound fields and magnitude of sound pressure. This project focuses on the thermo-acoustic effects of suspended superaligned carbon nanotube thin films with defects. The main contents include: establishing a thermoacoustic coupling analysis model of the suspended superaligned carbon nanotube thin films with defects; developing an energy based analytical method, proposing a numerical method, which could be used to predicted the thermoacoustic coupling fields accurately; investigating new phenomena of thermoacoustic emission of the film with defects, revealing the mechanism how defects influence on the thermoacoutic effects of thin film; determining the key factors and developing an evaluation method of thermoacoustic effect of the film with defects; carrying out the experimental research, verifying and improving the theory research. The achievements of the project could be used as theoretical and experimental basis for the analysis of the thermoacoustic effect of suspended thin films with defects, provide scientific guidance of the development and safety assessment of thermal acoustic transducer, improve the reliability of the equipment, enhance the environmental protection.

超顺排碳纳米管薄膜是一种具有良好热声效应的新型纳米材料。该薄膜在通以交流电时可以激发出高频率、高精度的超声波，极有希望应用于新一代超声医疗设备和声悬浮装置中。实验研究显示，薄膜中缺陷可能造成声场分布改变，影响薄膜的热声发射声场强度。本项目针对一类含缺陷悬空超顺排碳纳米管薄膜的热声效应展开研究。主要研究内容包括：建立含缺陷悬空超顺排碳纳米管薄膜的热声耦合分析模型；发展一种基于能量分析的解析求解方法，构造一种可以精确预测热声耦合场的数值求解方法；探索含缺陷薄膜热致发声过程中的新现象，揭示缺陷对薄膜热声效应的影响机理；探明关键影响因素，发展一套评估该类薄膜热声效应的方法；开展实验研究，验证理论结果。本项目的研究成果，可以为该类含缺陷悬空超顺排碳纳米管薄膜的热声效应分析提供理论和实验基础，并有望为相关热声换能器的开发和安全评估提供科学指导，提高该类设备的可靠度，增强其环保性。

超顺排碳纳米管薄膜具有极低的比热容，可以产生宽频声波，极有希望应用于新一代超声换能器开发。该类薄膜还具有良好的力学性能，如可弯曲、可拉伸、易于加工。不仅如此，碳纳米管薄膜还具有一个显著优势，与传统振动发声的压电材料相比，该类薄膜在激发声波过程中并不产生任何自身振动，因此该类纳米薄膜材料可以用于制造高精密声学设备。然而，缺陷的存在将严重影响碳纳米管薄膜激发声场的特性，甚至降低相关声学设备的性能。本项目针对含缺陷超顺排碳纳米管薄膜产生的声场展开研究，主要内容包括：建立了含缺陷碳纳米管薄膜的热声耦合理论模型，获得含规则形状缺陷碳纳米管薄膜激发声场的解析解；建立了碳纳米管薄膜封装结构热声分析的精确理论模型，获得多层介质碳纳米管薄膜系统的解析解；发展出一种适用于含任意形状缺陷碳纳米管薄膜热声场计算的有限元-边界元耦合数值方法；研究了缺陷参数对碳纳米管薄膜激发声场特性的影响，并揭示其作用规律；建立了碳纳米管薄膜阵列热声分析的理论模型，获得其激发声场的解析解，并分析其声场指向性；建立了适用于碳纳米管薄膜热声分析的实验平台。上述研究发现：缺陷的几何尺寸和位置是影响碳纳米管薄膜激发声场特性的主要因素。在功率一定的情况，缺陷的几何尺寸对声压改变较小，但是可以显著改变声场指向性和能量利用率；缺陷的几何位置主要影响声场的指向性。碳纳米管薄膜阵列中单元几何尺寸和间距是影响其声场特性的主要因素，在阵列分布一定的情况下，尽可能增大单元尺寸、选择合理的单元间距，可以设计出同时具有高声压和良好指向性的热声换能器。项目取得的成果可以为开发新型可变频式高精度超声设备提供理论和实验基础，提出的理论模型和解析解可以为超顺排碳纳米管薄膜热声换能器研发提供理论依据，发展的数值方法和获得的参数作用规律可以用于其设计以及后期安全评估过程，建立的实验平台可以用于新型热声换能器性能测试。