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1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。
由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。
1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。
因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。
制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。
本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。
主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。
实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。
研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为10.2Mrayl、317pC/N。
与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。
在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系数kt都具有较好的温度稳定性,并且kt随着复合材料样品的厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,在纵横比约为3时kt取得最大值。
陶瓷相的体积比为31%的1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料在厚度为1.4mm时的物性分别为:d3= 273pC/N,Z=11 Mrayl,kt=0.66,Q =4.1 εr= 410,ta =0.03。
1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究的开题报告开题报告题目：1-3型水泥基压电复合材料的性能及其应用研究一、选题的背景和意义水泥基材料是一种常见的建筑材料，具有良好的力学性能和耐久性，但其电学性能较差，限制了其在电子、通讯等领域的应用。
由于压电复合材料具有良好的电学性能和力学性能，因此将水泥基材料和压电材料复合起来，可制成具有压电性能的水泥基压电复合材料。
目前，已有一些研究报道了水泥基压电复合材料的制备与性能，但大多数研究集中于水泥基陶瓷材料与压电陶瓷材料的复合，缺乏对水泥基压电复合材料的深入研究。
因此，本课题旨在研究制备1-3型水泥基压电复合材料及其性能，为其在新能源、传感器等领域的应用提供基础研究。
二、研究的内容和步骤1. 制备1-3型水泥基压电复合材料将压电陶瓷离子热堆叠成棒状，并将其嵌入水泥基材料中，形成棒阵列。
制备过程中需控制压电陶瓷的分布密度和排列方式，以保证复合材料的力学性能和压电性能。
2. 测试复合材料的压电性能在复合材料上施加电场，观察其应变响应。
通过测量复合材料的压电系数、电容和电阻等参数，评价其压电性能。
3. 测试复合材料的力学性能和耐久性对复合材料进行拉伸、压缩和弯曲等力学性能测试，评价其力学性能；同时进行耐久性测试，观察其稳定性和使用寿命。
4. 研究复合材料的应用前景探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。
三、拟采用的研究方法和手段1. 材料制备：采用压电陶瓷离子热堆叠法，将压电陶瓷制成棒状，并嵌入水泥基材料中，形成1-3型压电复合材料。
2. 性能测试：采用电学测试、力学测试和耐久性测试等方法，评价复合材料的性能。
3. 应用研究：通过实验验证和理论分析，探讨复合材料在新能源、传感器等领域的应用前景，并开展相应的应用研究。
四、研究的预期目标和成果1. 成功制备出具有压电性能的1-3型水泥基压电复合材料。
2. 系统地研究复合材料的压电性能、力学性能和耐久性能，并进行性能与结构之间的关联分析。
1-3型压电复合材料及换能器研究的开题报告您好，以下是一份可能的开题报告模板，供参考：开题报告一、选题背景和意义1-3型压电复合材料是一种重要的压电材料，由于其高压电性能和良好的机械性能，在传感器、换能器、振动控制等领域有广泛的应用。
近年来，研究人员提出了多种制备方法和改进技术，以进一步提高材料的性能。
换能器是一种将电能和机械能相互转换的装置，其中压电换能器以其高效率和稳定性，被广泛应用于声波、超声波、声光、光电等领域。
研究压电复合材料作为换能器材料，可以为开发高性能、低成本的压电换能器提供理论和技术支持。
二、研究目标和内容本项目旨在研究1-3型压电复合材料及其在压电换能器中的应用，具体目标和内容包括：1. 探究不同种类的1-3型压电复合材料的制备工艺和性能，比较其优缺点；2. 分析1-3型压电复合材料的微观结构和性能之间的关系，以揭示材料的基本特性；3. 设计和制备基于1-3型压电复合材料的压电换能器，探究其灵敏度、响应速度、频率响应等性能；4. 对比不同种类的压电换能器的性能，探究压电复合材料在换能器中的优势和不足。
三、研究方法和技术路线1. 利用模拟软件建立1-3型压电复合材料的微观结构模型，分析材料的力学特性；2. 通过溶胶-凝胶法、烧结法等制备1-3型压电复合材料样品，对其压电性能、机械性能和微观结构进行测试和分析；3. 设计并搭建压电换能器实验平台，测量其电学、机械性能，比较不同种类压电换能器在响应速度、频率响应等方面的性能差异；4. 运用统计学方法分析压电复合材料和压电换能器的性能数据，得出结论和预测。
四、预期成果1. 详细研究和分析不同制备方法下1-3型压电复合材料的微观结构和性能，为高性能压电材料的研发提供理论指导和技术支持；2. 探究1-3型压电复合材料在压电换能器中的应用，为压电换能器的设计和制备提供重要的实验基础和理论依据；3. 比较不同种类压电换能器的性能差异，为压电换能器的研究和开发提供重要的参考和指导。
型球形压电陶瓷复合材料换能器设计［LI X L，TENG C，ZHOU Y.Design of 1-3 Spherical Piezoelectric Ceramic Composite Tranducer［DOI：10. 16311/j. audioe. 2020. 08. 020型球形压电陶瓷复合材料换能器设计李晓雷，滕 超，周 瑜中国电子科技集团公司第三研究所，北京型球形压电陶瓷复合材料换能器。
采用切割型球形压电陶瓷复合材料制作球形换能器，波束角可达44°，可实现高频宽波束发射。
Design of 1-3 Spherical Piezoelectric Ceramic Composite TranducerLI Xiaolei, TENG Chao, ZHOU Yu(The 3th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China)A 1-3 spherical piezoelectric ceramic composite transducer was designed by using finite element software. 1-3 spherical piezoelectric ceramic composites were prepared by cutting-pouring-forming method and their properties were tested. The spherical transducer is made of 1-3 spherical piezoelectric ceramic composite material and measured by the test system. The results show that the biggest transmitting voltage response of the transducer can reach 156 dB, and the -3 dB beam angle can reach 44wide beam transmission in the working frequency range.1-3 spherical piezoelectric ceramic composite; transducer; wide beam压电复合材料是将压电陶瓷相和聚合物相按一定的体积或重量比例和一定的空间几何分布复合而成的。
1-3型压电复合材料的机电响应特性和温度稳定性
刘盛文;王露;翟迪;袁晰;周科朝;张斗
【期刊名称】《压电与声光》
【年(卷),期】2022(44)4
【摘要】1-3型压电复合材料具备优异的机电耦合性能,这对于高性能压电换能器的开发具有重要意义。
该文采用低成本的切割填充法制备了不同结构参数的1-3型PZT/环氧树脂复合材料,并结合有限元模拟法对其压电性能、机电响应特性和温度稳定性进行了系统地研究。
1-3阵列结构对平面方向应变产生了很大的衰减,使能量更集中于厚度共振模式。
复合材料的高径比是影响机电耦合性能的主要因素,更精细的阵列结构有利于高性能压电换能器的制造。
在-20~60℃内,1-3型压电复合材料的厚度机电耦合系数约为0.61,变化率小于1%,表现出良好的温度稳定性。
【总页数】6页(P507-512)
【作者】刘盛文;王露;翟迪;袁晰;周科朝;张斗
【作者单位】中南大学粉末冶金研究院粉末冶金国家重点实验室;中南大学化学化工学院;中电科技集团重庆声光电有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM2;TN384;TB34
【相关文献】
1.基于ANSYS的1-3型水泥基压电复合材料力电响应分析
2.1-3型压电复合材料机电耦合特性分析
3.循环荷载下1-3型水泥基压电复合材料的力电响应
4.1-3型
压电复合材料温度稳定性研究5.具有良好温度稳定性的1-3型PZT/epoxy压电复合材料
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复合材料学报第25卷 第1期 2月 2008年A cta M ateriae Co mpo sitae SinicaV ol 25No 1Februar y2008文章编号:1000 3851(2008)01 0112 07收稿日期:2007 03 09;收修改稿日期:2007 07 11基金项目:国家自然科学基金(50672032,50272024);山东省自然科学基金(Y2005F08)通讯作者:程 新,博士,教授,博士生导师,研究方向为无机非金属材料 E mail:mse _huangsf@1 3型水泥基压电复合材料传感器的性能黄世峰1,2,常 钧1,秦 磊2,杨晓明2,李宗津2,程 新*1(1 济南大学材料科学与工程学院,济南250022;2 香港科技大学土木工程系,香港)摘 要: 以1 3型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。
研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。
结果表明:当加载频率小于5H z 时,所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大,但当加载频率大于5H z 时,所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关;传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。
水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性,其输出电压与复杂载荷、随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系,且与输入载荷基本同步,不存在滞后现象,试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。
该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。
关键词: 1 3型水泥基压电复合材料;传感器;频率响应;线性性能;传感性能中图分类号: T B332 文献标志码:AProperties of 1 3cement based piezoelectric composite sensorH U ANG Shifeng1,2,CH ANG Jun 1,Q IN Lei 2,YANG Xiaom ing 2,LI Zongjin 2,CH ENG Xin*1(1 Schoo l of M ateria ls Science and Engineer ing ,Jinan U niver sity,Jinan 250022,China;2.Depar tment of Civ il Engineer ing,Ho ng K ong U niv ersity of Science and T echnolog y,Ho ng Ko ng,China)Abstract: A cement based piezoelectr ic composite senso r w as fabr icated using the 1 3cement based piezoelectr ic co mpo site as a sensing element.T he fr equency r esponse,linear ity and sensing pr operties of the sensor w ere investi g ated.T he r esults indicate that the output vo ltag e am plitude of the sensor increase with increasing fr equency o f load under 5H z.When the frequency of load is la rg er t han about 5Hz,the output vo ltag e am plitude of the senso r is near ly independent o f frequency.T her e exists an obvio usly linea r relatio nship betw een the output v oltage amplit ude and input load amplitude of the sensor.T he 1 3cement based piezoelectr ic composite sensor embedded into the co ncr ete st ructur e ex hibits ex cellent sensing pr operties.T he output v oltages of the sensor are co rrespondent to the co mplex load,rando m load and pulse load v ery w ell.T he phase difference between t he output vo ltag e and input load is near zer o.T he ex perimental output voltag e value of the sensor is in g oo d agr eement with the theor etical value.Such sensor has a g ood potential to be used in civil eng ineering structur al healt h mo nitor ing.Keywords: 1 3cement based piezoelectr ic composites;senso r;frequency response;sensing pr operties目前,采用智能监测系统对重大土木工程建筑实施在线健康监测和预报已成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方向。
2007年第 3 期 声学与电子工程 总第 87 期
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1-3型压电复合材料和普通PZT 换能器性能对比分析
陈俊波 王月兵 仲林建
（第七一五研究所，杭州，310012）
摘要 通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料，并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT 圆片制成活塞型换能器，经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。
通过对比分析，得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT 压电换能器的收发性能有明显改善。
关键词 1-3型压电复合材料； PZT ；压电换能器
在当今的压电材料中，锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)作为换能材料一直占据着主导地位，其优点是具有高的机电耦合系数、介电常数范围很宽、损耗低、制作方便、价格低廉，因此广泛用于水声换能器、生物医学成像、超声工程等诸多方面；其缺点是声阻抗高，当负载是水或生物组织时，不易与负载匹配，在界面处的反射损耗就会很大，而且其横向耦合很强，因此，使用PZT 材料制作的厚度振动换能器存在频带窄、Q 值高、灵敏度较差等缺点。
1-3型压电复合材料是指由一维连通的压电相平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料。
该材料保留了PZT 压电陶瓷的高压电性，由于掺入了无源的聚合物相，因此具有较低的声阻抗、Q 值、介电常数和平面机电耦合系数，是制作高灵敏度宽带换能器的理想材料。
1 1-3型压电复合材料的性能
1-3型压电复合材料一般采用切割-填充法制作[1]。
考虑到一次性切割两个方向，陶瓷立柱容易断裂脱落，故先沿一个方向进行切割，在切缝中灌注聚合物并固化，然后再在与之垂直的另一个方向进行切割，再灌注聚合物。
为了得到压电相体积百分比和陶瓷立柱的厚度对材料性能的影响，制作了不同参数的1-3型压电复合材料样品。
用阻抗分析仪测得材料的串、并联谐振频率、导纳、自由电容等参数，则厚度机电耦合系数t k 和机械品质因数m Q 可由下式计算得到[2]：
2ππtan 22p s s
t p p f f f k f f ⎛⎞−=⎜⎟⎜⎟⎝⎠
(1) ()
2
22
2πp m s m t p s
f Q f Z C f f =− (2) 式中s f 、p f 分别为材料的串、并联谐振频率，m
Z 为阻抗模值的最小值（对应于导纳模值的最大值），
t C 为材料的自由电容。
部分材料样品的特性由表1
列出。
表1 部分1-3型压电复合材料样品的特性
样品 编号
体积百分比(%) 厚度 (mm) 谐振频率
(kHz) k t (%)
Q m 1-2 54.9 1 1028 73.033
3.5-15
4.9 3.5 443.8 62.5865-2 54.9 5 314.8 60.71217-2 54.9 7 228.7 59.6869-1 54.9 9 176.6 60.0408-3 54.9 8 198.3 60.26822-8-172.4 8 20
5.2 59.77633-8-180.2 8 210.7 57.4
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从表1可以看出,，体积百分比及陶瓷立柱截面一定时，随着厚度的增加，谐振频率逐渐下降，厚度机电耦合系数t k 逐渐下降并趋于平缓，而m Q 值则呈现先上升后下降的趋势。
当厚度一定时，随着体积百分比的增加，厚度机电耦合系数逐渐减小。
上述特性是因为随着材料厚度的增加，谐振频率逐渐下降，声波在聚合物中的衰减变小，陶瓷立柱之间的横向耦合增大，从而导致厚度模机电耦合系数的下降。
当厚度大到一定程度，陶瓷立柱间的耦合趋于平稳，因此厚度机电耦合系数也变得平缓。
2换能器性能对比测量和分析
为了便于比较1-3型压电复合材料和纯PZT 材料对换能器性能的影响，分别用两片相同尺寸的1-3型压电复合材料和PZT 陶瓷片制作成活塞型换能器。
换能器的压电元件选用厚度为9mm 、直径为
42.7 mm 的圆片，用去耦材料固定，并安装在金属外壳内，辐射面用聚氨酯灌封。
经测量得到两种换能器空气中和水中的导纳曲线、发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线如图3～14所示。
图3 PZT圆片换能器空气中导纳曲线
图4 1-3型换能器空气中导纳曲线
图5 PZT圆片换能器水中导纳曲线
图6 1-3型换能器水中导纳曲线
图3～6给出的是换能器空气中和水中的导纳曲线。
从中可以看出，普通PZT圆片换能器由于材料的横向耦合强，故径向振动模态比较明显，导纳曲线上出现多谐振峰；而1-3型换能器由于横向耦合小，故呈现出单一的厚度谐振，并且带宽变宽，空气中半功率带宽为5 kHz，
m
Q值为36，水中半
图8 1-3型换能器发送电压响应
图7～10给出的是换能器在水中的发送电压响应和接收灵敏度曲线。
比对结果可以看出，由于径向模和横向耦合的影响，PZT圆片换能器的发送响应和接收灵敏度都有很多大幅度的起伏，而1-3型换能器发送响应和接收灵敏度曲线变换都比较平。
最大发送电压响应为167.3 dB（0 dB 1 µPa m V
ˆ=⋅）。
26
图11～14显示的是换能器的指向性曲线。
对于PZT圆片换能器选了三个较大的谐振点（199 kHz、219 kHz、236 kHz）进行测量，1-3型压电换能器模态单一，因此在厚度模态谐振点（178 kHz）进行测量。
由图可以看出，PZT圆片换能器的旁瓣较大，三个谐振点的最大旁瓣级分别为-10.2 dB、-15.2 dB、-14.6 dB；而1-3型压电换能器的旁瓣较小，厚度谐振的最大旁瓣级为-18.2 dB。
3 结语
通过将PZT圆片切割、填充，制作成1-3型压电复合材料，有效地抑制了纯PZT材料横向耦合，使材料的振动模式变得单纯，有利于拓宽工作带宽。
相同尺寸的1-3型复合材料和PZT圆片活塞型换能器的性能对比分析，验证了1-3复合材料具有比普通PZT压电陶瓷更纯净的厚度振动模式、更为优越的宽带收发性能和更高的灵敏度。
制作工艺是影响1-3型压电复合材料性能的关键因素。
切割陶瓷时用油作冷却液，因此为了保证聚合物和陶瓷立柱之间的粘接强度，在灌注之前必须先经过去油处理。
因复合材料中含有环氧树脂，不能通过高温烧制电极，实验中采用的是真空喷镀银层的工艺，此方法制作的电极强度不高。
因此，如何解决电极制作工艺的问题是今后研究工作的内容。
从前面的对比情况看，1-3型压电换能器的带宽比PZT圆片换能器更宽，如需进一步拓宽带宽，可以在1-3型压电复合材料前辐射面加匹配层，后面加环氧钨粉作背衬材料，并通过适当调节匹配层和背衬的厚度和成分，来满足不同的要求。
这些都将有待于进一步的研究。
参考文献：
[1] W A Smith. The role of piezocomposites in ultrasonic transducers[C]. IEEE Ultrasonics Symposium, 1989:755- 766.
[2] 李邓化, 张良莹, 姚熹. 形状参数对1-3型压电复合材料性能的影响[J]. 压电与声光, 1999, 21(5):376-379.
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