Page 149 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 赵志钢等： 1-3 型压电复合材料性能及声场特性分析 1325

0 引言 1 仿真分析

压电复合材料是压电陶瓷相和聚合物相按照 作者实验室前期基于切割 -填充法制备 1-3 型
一定的空间结构排列制备而成，是超声探头实 压电复合材料，并分析得到切割槽宽变化规律 [15] ，
现超声波和电能相互转换的关键部件 [1−2] 。根据 发现切割宽度总体呈现马鞍形，最大尺寸差为
Newnham 等 [3] 提出的连通性概念，1-3 型压电复合 0.08 mm，压电柱之间存在尺寸差异。为了揭示 1-3
材料，1 代表压电相的连通维数，3 代表聚合物的 型压电复合材料中压电柱不一致对其声场的影响，
连通维数，结构上聚合物将一维连通并按阵列分 利用 COMSOL 仿真软件，单一或同时改变压电柱
布的压电陶瓷固定，并在压电复合材料的上下表 的高度、长度以及宽度，分析压电柱尺寸不一致性
面镀电极。由于其结构的特点，1-3 型压电复合材 对压电复合材料的阻抗特性及声场的影响。
料具有声阻抗低、厚度机电耦合系数高、机械品
1.1 仿真模型
质因数低、谐振频率高、温度稳定性好、易于制备
的优点 [4] ，是目前研究最深、应用最广的复合材料 为满足计算要求和效率，建立 3 × 3 阵列的仿
之一。 真简化模型，如图 1(a) 所示。其中压电柱长、宽为
在制备工艺方面，1-3型压电复合材料制造方法 2.11 mm，厚度为6 mm，压电柱间距为0.39 mm；圆
主要有切割 -填充法 [5−6] 、排列 -浇铸法 [7−8] 、脱模 柱体为空气域，其半径为10 mm，高为 32 mm，压电
法 [9−10] 和激光切割法 [11−12] 四种。其中，切割 - 填 复合材料置于空气域内，距离底面中心2 mm。
充法具有操作方便、工序简单的特点，被广泛应用 在之前研究中，切割槽宽的最大尺寸差约为
到商用 1-3型压电复合材料的生产上 [13] 。然而由于 0.08 mm，且最窄处位于切割槽中间位置。按照
压电陶瓷脆性弱点 [14] ，以及加工过程中刀具的振动 图 1(b) 所示，建立不同参数下的仿真模型。图 1(c)
及翘曲，不可避免地对切割形成的压电柱形状及尺 为 1-3 型压电复合材料结构示意图，主要由聚合相，
寸造成影响。 压电相以及电极组成。
本文首先基于切割槽宽的变化规律，在 COM- 仿真中，压电效应通过耦合静电物理场和固体
SOL Multiphysics 5.6 仿真软件中，建立仿真模型， 力学物理场进行分析。在静电物理场中，对所有的
研究压电柱不一致对复合材料声场及阻抗特性的 压电柱下表面添加接地边界；上表面添加端子边界，
影响，通过制备并得出压电柱阻抗不一致的变化规 类型选择电压，大小为 1 V。在固体力学物理场中，
律，最后制备不同宽度的复合材料，并通过阻抗分析 压电陶瓷和环氧树脂分别添加为压电材料域和线
验证仿真实验。 弹性材料域；压电复合材料下表面添加辊支撑。

0.04 mm ᐑՌྭᄱ
0.08 mm

32 mm ᰴ0.08 mmവی ᫂0.08 mmവی

6 mm ႃౝ
0.04 mm ԍႃᄱ
2 mm 2.11 mm
7.11 mm
0.39 mm
ࠕ0.08 mmവی ᫂ࠕᰴடʹܙܸ
(a) 3f3᫼ѵ͌ᄾവی (b) ˀՏԠ஝വیࡇࠪԫ૱ (c) 1-3یԍႃܭՌెநፇ౞ᇨਓڏ

图 1 仿真模型及尺寸变化示意图
Fig. 1 Simulation model and dimensional change diagram