基于超声辅助3D打印技术制备高性能压电换能器的关键问题研究

The high-performance transducers with special shape element and distribution are urgent for novel ultrasonic technology and developing direction. But these transducers are very difficult to fabricate directly due to the brittleness of piezoelectric ceramics. The 3D printing technology is a rapid prototyping process that plays an effective role in geometrical flexibility without module. However, the piezoelectric ceramics fabricated by 3D printing can hardly meet the demands of high-performance ultrasonic transducers. Therefore, the present research project aims to study the key technology of high-performance ultrasonic transducers fabrication based on stereolithography, which involves the textured piezoelectric ceramics and ultrasound manipulation. The following investigations will be carried out in the project: (1) To reveal the photo-curing characteristics of the textured ceramic slurry, and obtain the high-precision ceramics. (2) To investigate the effects of the ultrasonic vibration energy on the textured orientation of PMN-PT piezoelectric ceramics by manipulating the template grain arrangement using ultrasonic arrays, and fabricate the complex-geometry ultrasonic transducers with high density and excellent properties. (3)To study the vibration mode and acoustic field distribution characteristics of the complex structure ultrasonic transducer, and establish a theoretical designation for piezoelectric ceramic, matching layer and backing layer. The results of this investigation will provide theoretical and experimental basis for the design and preparation of special ultrasonic transducers.

特殊阵元形状与分布的高性能换能器是新型超声技术迫切需求和发展的方向之一，但压电陶瓷脆性大，制备该特殊器件非常困难。3D打印技术可直接快速无模成型出形状复杂的样品。目前3D打印的压电陶瓷存在密度低、性能不高等缺点，难以满足高性能超声换能器的需要。鉴于此，本项目拟开展超声辅助3D打印制备织构化压电陶瓷超声换能器的关键问题研究，制备高性能超声器件。主要研究：1）揭示织构化压电陶瓷浆料3D打印光固化特性，打印成型高精密陶瓷；2）通过超声调控模板晶粒排布制备具有晶体取向性的高性能PMN-PT织构化压电陶瓷，研究超声振动能量的传播及作用形式等对陶瓷织构化取向度的影响规律，制备高密度、高取向度、性能优异的织构化压电陶瓷；3）研究特殊、复杂结构超声换能器的振动模式及声场分布特性，指导压电陶瓷、匹配层、背衬层等的设计与优化。通过本项目的研究，为特殊结构超声换能器的设计与制备提供重要理论与实验依据。

近年来，随着航空航天、高速铁路、半导体芯片等新兴高技术产业和医疗卫生领域的迅猛发展，对无损检测系统的要求也不断提升，急需高性能复杂结构的超声换能器。3D打印技术具有快速无模成型的优点。本项目根据研究目标与内容开展了3D打印制备织构化压电陶瓷超声换能器的研究工作，主要包括1）设计了多款（二维面阵、自聚焦等）阵列换能器，研究了其声场分布，获得超声换能器的理论模型设计；2）研究了二元、三元无铅织构化压电陶瓷的打印工艺条件，搭建了超声辅助打印平台，通过调整超声场改变光敏树脂中陶瓷微粒的排列方式，实现陶瓷颗粒的有序排列。研究了声场强度对不同颗粒尺寸、排布及树脂含量等对打印的影响规律。制备了符合打印要求的BIT和BT两种模板晶粒，研究了合成温度、保温时间等参数对显微结构和相结构的影响规律，制备了不同几何结构的压电陶瓷阵列；3）研制了复杂形状超声换能器阵列，主要包括光固化成型3D打印匹配层、背衬层、声透镜等无源材料的研究和换能器的性能表征等，所制备的自聚焦超声换能器性能良好，中心频率1.9MHz，所有阵元带宽均高于90%。基于上述研究成果，本项目发表相关学术论文10篇，其中SCI收录5篇，1篇刚发表暂无收录，中文核心论文4篇，申请国家发明专利4项，授权2项，培养硕士研究生6名，基本完成了项目的预期研究目标。本项目所形成的3D打印织构化压电陶瓷超声换能器技术，可为工业复杂结构部件检测、医学超声诊断和治疗提供技术支持。