摘要：1-3型壓電復合材料由于其本身具有低聲阻抗，易與水和皮膚等介質進行阻抗匹配，介電常數低等優(yōu)勢，在換能器上的應用十分普遍。本文綜述了1-3型壓電復合材料的發(fā)展歷程，制備工藝，結構特點，及制作的超聲換能器在不同領域的應用。為進一步優(yōu)化材料性能，實現(xiàn)其在超聲換能器中的廣泛應用提供了良好的科學依據。

0引言

壓電超聲換能器在工業(yè)無損檢測、醫(yī)學診斷、生物醫(yī)學工程等方面的應用都極為廣泛，它的核心部分壓電材料在機電耦合系數，電學品質因素、抗老化、頻帶等特性的方面要求一直在提高。然而不同的應用領域對性能的要求存在差異，如工業(yè)超聲檢測要求壓電材料具有高靈敏度和信噪比，水聽器要求具有較強的靜水壓性能以及阻抗與水匹配等，針對不同領域的不同要求，壓電材料也在不斷發(fā)展中。但是壓電材料各有其優(yōu)劣，很難同時滿足壓電換能器所需的不同的性能。直到1972年，日本的北山中村研制了PVDF-BaTiO3復合材料開創(chuàng)了壓電復合材料的歷史，兩種材料結合，放大了材料的優(yōu)勢性能。隨后美國濱州州立大學材料實驗1R.E.Newnham也首次提出壓電陶瓷與聚合物復合材料，提出了連通性的概念，將壓電復合材料由壓電陶瓷和聚合物通過一定體積比、質量比和不同的連通方式復合制成。連通方式有十種，分別為0-0型、0-1型、0-2型、0-3型、1-1型、1-2型、1-3型、2-2型、2-3型、3-3型，前一個數字為壓電材料的連通維數，后一個數字為聚合物的連通維數，基于Newnham的串并聯(lián)理論，Smith將復合壓電材料建模為一種有效的均勻介質,基于均勻場理論型推導壓電復合材料的等效本構方程，并推導各個參數的計算公式由于1-3型壓電復合材料換能器在制作工藝和性能上都有其獨特的優(yōu)勢，因此研究的最多的為1-3型壓電復合材料。Guraja 等人研究了1-3復合材料的聲阻抗特性以及壓電相體積分數和頻率對材料性能的影響，證明了1-3型壓電復合材料是醫(yī)學診斷換能器應用的理想材料；Chan等人建立了1-3型超聲復合材料參數的理論模型，給出計算超聲的速度、聲阻抗、機電耦合系數和壓電系數等的公式。Carton等人研究了1-3復合材料的共振，提供1-3壓電復合材料橫向共振模式的精確模型。20世紀八十年代壓電陶瓷與聚合物復合材料在國內迅速發(fā)展起來，多所高校也開展了對壓電復合材料的研究并進行換能器的研制，北京大學欒桂冬等用1-3型復合材料制作了水聽器；香港理工大學的陳王麗華提出了1-3超聲復合材料參數組合的理論模型，研究并制作了1-3型的壓電換能器，南京大學水永安等參與了1-3型復合材料的理論研究，中科院聲學所耿學倉等研制出1-3型壓電復合材料，制作了基于此材料的檢測超聲換能器，并對換能器的性能進行了測試。20世紀以來，對于1-3型壓電復合材料在換能器方面的研究也從未停止，哈工大的張凱等人也對其在水聲器方面的應用開展了研究，并采用有限元法建模，并制作了基于厚度振動模態(tài)和一階橫向模態(tài)的水聲換能器，使換能器帶寬得到拓展；孫瑛琦對非均勻1-3型壓電復合材料性能展開研究，提出了一種并聯(lián)振子等效電路模型去分析基于此種材料所制作的換能器的性能，并制作換能器驗證該模型的準確性。1-3型壓電復合材料換能器在各個領域的應用都開展了不同程度的研究，通過對1-3型復合材料自身結構的改善等方面不提高其性能，擴大其應用領域。

1 1-3型壓電復合材料

1-3型壓電復合材料是由一維連通的壓電陶瓷相平行排列于三維連通的聚合物相形成的，加入聚合物，有效降低了陶瓷在強度脆性方面的弱點，減小了陶瓷的橫向耦合，增大了復合材料縱向機電轉換效率；具有低聲阻抗，易與水和皮膚等介質進行阻抗匹配；介電常數低，靜電容較小，從而換能器工作時需要輸入的阻抗較高,具有較高的接收電壓靈敏度，同時靜水壓壓電常數gh=dh/ε高，適合制造水聽器，具有等效噪聲聲壓級低和靈敏度高的優(yōu)點；由于聚合物衰減較大，Qm值較低，適合制作寬帶窄脈沖換能器，是目前應用的比較廣泛的一種壓電復合材料。1-3型結構如圖1所示。

圖1 1-3型復合材料結構圖

1.1 1-3型壓電復合材料的制備

常見的1-3型壓電復合材料的制備工藝有排列澆筑法、切割填充法、脫模法、注射法、流延層疊法、電介質法、擠壓法、激光超聲波切割法等。其中主要采用的有兩種，一是排列澆筑法，工藝比較成熟，將陶瓷小柱按要求靈活分布排列在模板上，在真空下灌注環(huán)氧樹脂等聚合物，高溫固化，切割或磨制成所需厚度，鍍上電極、極化，制成1-3型壓電復合材料，壓電陶瓷柱的排列課規(guī)則也可不規(guī)則，分布較為靈活，但是陶瓷較脆導致材料成品率低；二是切割填充法，該工藝比較簡單，將已極化的壓電陶瓷切割成均勻排列的立柱,灌注環(huán)氧樹脂，抽真空、固化，磨去未切通的部分而制成，所制得的陶瓷柱最細約為75 – 100μm，能比較靈活控制陶瓷柱的粗細。不足在于其工藝成本高，存在原材料浪費。

1.2 1-3型壓電復合材料在換能器中的應用

1-3型壓電復合材料在水聲換能器中有著非常好的應用，為了進一步提高材料性能，李鄧化等人使用切割填充法制得復合材料，并得出了陶瓷相體積分數對靜水壓壓電常數，靜水壓靈敏值，機電耦合系數，機械品質因素,特性阻抗的影響。李莉、孫敏等人分析得出壓電相體積分數以及壓電小柱寬高比對其性能的影響，經實驗得出陶瓷相體積分數在40%-60%之間靜水壓壓電應變常數具有最大值，陶瓷柱寬厚比越小，陶瓷柱越細，水聲換能器靈敏度越高，可以通過減小壓電相側面邊長或者增加陶瓷柱之間溝槽寬度來實現(xiàn)減小壓電相體積分數，更好地將1-3型壓電復合材料應用于水聲換能器。

對于換能器，擁有大帶寬和高靈敏度是換能器的重要要求，基于此提出了一種基于分形幾何的新型1-3壓電復合材料設計，SG分形幾何的基本形狀是一個等邊三角形，通過將整個等邊三角形遞歸細分成幾個類似的等邊子三角形，實現(xiàn)更高代的分形結構，如圖2。在接收模式下，SG分形器件可以在較寬的頻率范圍內工作，但與其他兩種器件相比，靈敏度較低；在發(fā)射模式下，SG分形器件具有較寬的帶寬和較高的靈敏度。

圖2 SG分型幾何結構0-2級

近年來在光聲成像和聲光成像中，1-3型復合材料也開始嶄露頭角，Li Yan 等人研制了一種基于PMN-PT/環(huán)氧樹脂的1-3型復合超聲換能器的微型內窺鏡探頭，從復合材料的特性方面去提高材料的性能，將其用于雙模態(tài)光聲成像（PA）/超聲成像系統(tǒng)（US），與PMN-PT和鋯鈦酸鉛（PZT）復合超聲換能器相比，新型超聲換能器的帶寬有所提高，PA圖像和US圖像的信噪比有所提高，該換能器具有高壓電系數d33、高耦合系數Kt和低介電損耗，進一步提高了傳統(tǒng)PA/US成像系統(tǒng)的靈敏度。從材料自身特性來看，溫度也對其存在很大的影響，韓精兵、顧新云等人對1-3型壓電復合材料的溫度特性進行研究，發(fā)現(xiàn)由PZT-5a/環(huán)氧樹脂制成的材料溫度在20℃-120℃之間，常數、壓電常數、機電耦合系數隨著溫度的升高而增大，彈性剛度系數和諧振頻率隨著溫度升高而降低，介電損耗則隨著溫度的升高先增大后減小再增大，當壓電相材料改為PZT-PZM-PZN，介電損耗隨溫度增加而增大。綜合來看可能材料不同時，在介電常數和機電耦合系數上的結論基本一致，而對介電損耗的影響存在差異，這些結論有助于拓展1-3型復合材料在高溫換能器方面的應用。不僅是壓電相改變存在影響，聚合物相的改變引起的材料性能差異也引起了學者的關注，由于聚合物相的存在，機械品質因數較低造成1-3型壓電復合材料很難在大功率超聲換能器中得到應用。通過研究發(fā)現(xiàn)選擇低損耗、低模量的聚合物可以提高1-3壓電復合材料的機電耦合和機械品質因數，從而可以使1-3型復合材料同樣能在大功率超聲換能器中的到良好的應用。

在生物醫(yī)學工程領域，超聲換能器在超聲醫(yī)療診斷中的應用也是一個研究熱點。王科鑫等制成1-3壓電復合材料殼式聚焦換能器，相比較于普通陶瓷換能器改善了帶寬、機電轉換率，降低了阻抗，能在提升高強度聚焦醫(yī)療設備的性能方面起到重要作用；還有學者將1-3型壓電復合材料應用于血管內的超聲成像，由于血管較小，血管內的超聲成像一般橫向分辨率較小，通過采用PZT/環(huán)氧樹脂1-3壓電復合材料制作成的聚焦式換能器有效的改善了這一缺點，通過表明1-3型壓電復合材料換能器在生物醫(yī)學領域有著光明的發(fā)展前景。

2 1-3型壓電換能器的改進

1-3壓電復合材料在醫(yī)學超聲換能器和水下應用已經非常廣泛，然而，當加熱或受到機械負載時，它們很容易變形。為了克服上述困難，提高壓電復合材料的穩(wěn)定性，設計了1-3-2型壓電復合材料，其結構如圖3。1-3-2型為1-3型加陶瓷基底改進而成，除了低密度、寬帶和高靈敏度等優(yōu)點外，具有穩(wěn)定的機械特性和溫度特性。

圖3 1-3-2 型復合材料結構圖

2.1 1-3-2型壓電復合材料在換能器中的應用

李光等人對1-3-2壓電復合材料的研制進行了研究并通過Newnham復合材料并聯(lián)和串聯(lián)理論推導計算了該的壓電常數和介電常數。M.Sakthivel,A提出了基于并聯(lián)和串聯(lián)理論的1-3-2壓電復合材料的分析模型。將其看作是傳統(tǒng)的；兩層材料復合，其中一層是1-3型復合材料，另一層是陶瓷基底，并對材料進行了理論分析，研究了基體相極化特性的變化對1-3-2壓電復合材料整體熱機電行為的影響，發(fā)現(xiàn)在180°極化方向對低陶瓷桿體積分數的聚合物基體進行極化可以提高有效機電耦合系數。

將1-3-2型壓電復合材料換能器的特性用機電耦合系數，聲阻抗及徑向速度進行表示。基于理論研究，還有許多學者對1-3型材料做了類似的改進及應用研究，鮮曉軍利用有限元分析仿真了基于1-3-2型的水聲換能器，并將實物制出放入消聲水槽中進行測試，確定該材料制作的水聲換能器在工作頻率內具有模態(tài)單一、高發(fā)射響應和寬頻帶等優(yōu)點，還將其應用于高頻相控陣換能器，也具有明顯的優(yōu)勢；李莉研究了1-3型壓電復合材料的性能測試方法，分析了1-3型壓電復合材料在各方面的發(fā)展狀況后，研制了改進型1-3-2型壓電復合材料，根據串并聯(lián)理論,從1-3型復合材料的研究結果出發(fā)，利用均勻場理論和混合定律，建立了1-3-2型壓電復合材料厚度振動的宏觀等效性能參數理論模，并介紹了基于此材料研制的四種水聲換能器及基陣的結構和制作過程，在消聲水池中測試了它們的部分性能；秦雷等人也提出了改進型1-1-3型壓電復合材料，進一步減少其橫向耦合，提高其壓電性能和穩(wěn)定性，制作了基于此材料的110 kH的水聲換能器，壓電性能響應和靈敏度都有明顯提高，指向性也更好。這些研究表明改進型1-3型壓電復合材料在水聲換能器應用上部分性能會優(yōu)于普通的1-3型壓電復合材料，在今后的一些應用中可以用此種材料制作超聲換能器，但在醫(yī)學超聲領域中還未用到此類材料，可以朝這方面進行一些研究。

3結論

本文主要對1-3型壓電復合材料的發(fā)展歷程、理論基礎及其在換能器中的應用等方面進行了闡述，并詳細介紹了改進后的1-3型壓電復合材料制成的換能器性能及應用方面的發(fā)展現(xiàn)狀。在不同的應用領域，1-3型壓電復合材料換能器相比于普通陶瓷制成換能器的優(yōu)勢較為明顯而又不同，如制作的水聲換能器具有靈敏度高，靜水壓壓電常數大等優(yōu)點；在光聲成像中，換能器信噪比和帶寬都有明顯提高，在醫(yī)學超聲中的1-3壓電復合材料殼式聚焦換能器降低了阻抗，提高了聚焦強度等。然而，雖然1-3型壓電復合材料超聲換能器的優(yōu)勢突出且應用范圍廣，但是其制作工藝比較繁瑣，不同的應用領域兩相材料的體積分數以及結構差異都會導致性能的不同，因此需要找到各個領域材料參數的最優(yōu)值以達到材料性能最優(yōu)。另外，材料在受外力或者受熱時極易發(fā)生變形，這會嚴重影響相關聲學輻射特性。同時，結構中存在不導電的聚合物，電極引出困難等也都會制約其應用。

總的來說，1-3型復合壓電材料的應用涉及材料、聲學、生物醫(yī)學、機械等各個學科領域，聲子晶體這個課題的研究引起了學者們極大地興趣，從結構來看，1-3型壓電復合材料與二維聲子晶體十分相似，將二者結合，對1-3型壓電復合材料換能器的振動特性進行改善，將會極大地促進壓電換能器的性能提高和應用拓展。這些最新的研究進展都表明1-3型壓電復合材料已經逐漸得到越來越多研究人員的關注，表現(xiàn)出了良好的應用前景，因此我們應該充分利用1-3型壓電復合材料的各種優(yōu)勢，進一步的優(yōu)化壓電換能器的性能參數，從而更廣泛的拓展其應用領域并使其發(fā)揮出更大的工業(yè)價值。

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