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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。
基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析杜海波;秦雷;仲超;王丽坤【摘要】为提高高频水声换能器的性能,提出了一种基于1-1-3型压电复合材料的带有梯形匹配层的水声换能器设计.应用有限元方法分析了有无匹配层对复合材料电性能、辐射端振动位移的影响.并研制了带匹配层和不带匹配层的2种水声换能器.测试结果显示引入匹配层使得水声换能器在谐振频率为360 kHz时最大发送电压响应达到169.4 dB,接收电压灵敏度为-190 dB,-3 dB下接收信号带宽最大可达70 kHz,最大声源级达到208 dB.发送电压响应比没有匹配层的换能器提高了3.8 dB、声源级提高了6 dB、接收带宽拓宽了1.45倍.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2019(037)002【总页数】7页(P386-392)【关键词】1-1-3型压电复合材料;换能器;声源级;发射电压响应;性能【作者】杜海波;秦雷;仲超;王丽坤【作者单位】北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学教育部现代测控技术重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京100192;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室,北京 100192;北京信息科技大学教育部现代测控技术重点实验室,北京 100192【正文语种】中文【中图分类】TB5641-3型压电复合材料由于其制备工艺简单、压电性强、机电耦合系数大等优势,被广泛应用于超声无损检测、海底测绘成像等领域[1-3]。
近年来,为进一步提高1-3型压电复合材料的性能,一方面,研究者试图通过改变复合材料中的主动性材料性能来提高复合材料性能。
如Wang等人应用0.32PIN-0.35PMN-0.33PT(PIMNT)制备了1-3型压电复合材料,压电单晶PIMNT体积百分比为60%时,厚度机械耦合系数可以达到84%[4]。
1-3型压电复合材料温度稳定性研究摘要：采用聚醚砜(PES)和空心玻璃微珠(HGB)作为填料对环氧树脂进行改性，研究其对环氧聚合相力学和热学性能的影响，研究发现，PES和HGB填充量均为10%(质量分数)制备的环氧聚合相，剪切强度由39 MPa升高到52 MPa，热膨胀系数由8.8×10-5/K降低为5.8×10-5/K，材料力学和热学性能明显提高。
以PZT-4为压电相，采用切割填充法制备PES和HGB填充量均为10%(质量分数)的1-3型压电复合材料，采用阻抗分析仪测定温度对其谐振频率fs和机电耦合系数kt的影响，结果表明，1-3型压电复合材料的fs为885 kHz，kt为0.65，材料的fs和kt在温度1550 ℃范围内变化率≤1%，表现出良好的温度稳定性。
关键词：聚醚砜；玻璃微珠；高强度聚焦超声；1-3型压电复合材料；温度稳定性0 引言当前，高强度聚焦超声技术已应用于良、恶性肿瘤无创治疗[1]。
聚焦超声外科治疗技术这一“改变游戏规则的技术”、“革命性的治疗技术”正在推动临床外科进入无创时代[2-4]。
换能器作为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的核心部件起着非常重要的作用。
传统的换能器用压电陶瓷材料制作，存在换能器带宽不够，电声转换效率低的问题，需要对换能器材料更新换代。
1-3型压电复合材料是公认的新型压电材料，因其具有较低的声阻抗、较高的耦合系数、较低的机械品质因数等特性成为水听器，医学成像，无损检测等方面换能器的重要材料[5]。
但该材料在高强度聚焦超声换能器方面的应用报道还不多，主要原因是高强度聚焦超声换能器需要大功率的发射材料，与接受型的1-3型压电复合材料相比，更需解决材料的热稳定性问题。
1-3型压电复合材料是一维的陶瓷相与三维的环氧聚合相的复合，具体结构如图1所示。
压电相保持材料的压电效应，环氧相改善材料的振动模态，两相复合后，材料在机电耦合系数kt，机械品质因数Qm和阻抗Z均有很好的改善，因此，大功率的1-3压电复合材料是新一代高强度聚焦超声换能器的关键核心材料。
研究1-3型压电复合材料的意义：单相压电陶瓷，例如PZT压电陶瓷，各向异性小，使得径向振动对厚度振动的干扰大；声阻抗大，不易与人体软组织及水的声阻抗相匹配；机械品质因素高，带宽窄；静水压灵敏度低等，从而使得单相压电陶瓷的应用受到一定的限制。
而压电高聚物具有密度低，柔性好、阻抗低，易于轻质负载匹配的特性，所以在水听器、生物医学等领域中获得很好的应用。
由于单一高聚物存在着压电常数低、各向异性和极化困难等不足。
由于压电高聚物材料克服了传统压电材料和单一高聚物的不足，具有压电性强、脆性低、密度低和介电系数小且易于制得复杂形状制品等显著优点。
（大部分高聚物在较高温度下易于软化且柔性较好的缘故）。
在工业上已有广泛应用。
以聚偏氟乙烯PVDF为代表的高分子压电材料柔顺性好，可制成大而均匀的薄膜，阻抗与空气、皮肤和水匹配，但其压电常数和机电耦合常数较小，工作温度范围窄。
压电复合材料的优点及1-3型压电复合材料介绍压电陶瓷/聚合物复合材料是两者按一定的联通方式、一定的体积或质量比和一定的空间几何分布复合而成的，能够成倍的提高复合材料的某些性能，并具有原成分没有的性能。
根据各项材料的联通方式的不同，可归为10种基本类型。
其中第一个数字代表功能相（陶瓷）的联通维数，第二个数字代表聚合物的联通维数。
聚合物基体的选择：众所周知，陶瓷材料一个致命的缺点就是其脆性比较大，因而极大地限制了其在工程结构上的应用。
而大多数高聚物具有流动性好、成型方便、易于加工，且能增强复合材料的粘结性、耐耐蚀性、并可根据所需形状进行设计等优点，聚合物的偶极距对压电性的产生具有重要作用。
【2】长期以来，很多研究者将高聚物基体仅作为粘结剂作用的连续相进行看待，对材料的整体的压电功能没有贡献。
近些年来，利用激光诱导压力脉冲通过对固体介质中的极化分布和空间电荷分布的测定，证实：聚合物基体对具有不同尺寸和形态的压电陶瓷相的取向、极化等具有很大的影响，并与样品制备与加工技术以及极化条件密切相关。
第23卷第1期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Vol.23,No.1 2007年1月 Journal of Qiqihar University Jan.,20070-3型PZT/PVDF 压电复合材料压电性能研究孙洪山，张德庆，王少君，祁磊(齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006 )摘要：以PZT和PVDF为原料，采用热压和冷压两种工艺制备了0-3型压电复合材料，其中PZT陶瓷粉末由sol-gel法制得。
研究了不同因素对复合材料压电和介电性能的影响。
实验结果表明在相同成型压力下，PZT体积含量为70% 时，热压和冷压工艺制备的复合材料33d 分别为41和24，相差达到17，而ε相差最大值达到32.4。
关键词：0-3型PZT/PVDF压电复合材料；热压法；冷压法中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1007-984X(2007)01-0013-04树脂基压电复合材料是一种多相材料, 由压电陶瓷与树脂基体复合形成的一种新型功能材料[1]。
这种材料具有两相材料的优点: 良好的柔顺性、 较高的压电常数和机电耦合系数。
压电复合材料的密度和声速远低于压电陶瓷, 故其声阻抗小, 易与空气、水和生物组织实现声阻抗的匹配，满足水声、电声、超声换能器等方面的要求[2～4]。
国内外许多材料工作者在0-3型复合材料的制备工艺[5]、 影响性能的因素[6]及理论研究[7]等方面做了许多工作。
为提高复合材料的性能，本实验采用sol-gel法合成的超细纳米PZT粉体作为功能相，为解决加工过程中的分散性问题，采用溶液混合法制备出了混合相对均匀的0-3型PZT/PVDF复合材料，并 研究了PZT体积含量、制备工艺对复合材料电性能的影响。
1 实验过程1.1 实验原料自制的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷粉末，相对介电常数ε为1152，33d 为274 pC/N；聚偏二氟乙烯(PVDF)粉末, 相对介电常数ε为12，33d 为1 pC/N。
1-3型压电复合材料发射换能器研究张凯;蓝宇;李琪;顾郑强【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2010(031)011【摘要】针对1-3型压电复合材料换能器完整模型节点数多、计算时间长,周期模型不能直接模拟换能器水中响应特性等问题,提出了应用ANSYS软件分析1-3型压电复合材料发射器的方法,并利用此方法和厚度模式理论设计了1-3型压电复合材料发射器.同时对厚度模式理论及有限元法计算结果和试验结果三者做出了对比分析.研究结果表明,所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,制作的复合材料发射换能器谐振频率为300 kHz,最大发射电压响应为178 dB,且厚度模态纯净.【总页数】6页(P1485-1489,1508)【作者】张凯;蓝宇;李琪;顾郑强【作者单位】哈尔滨工程大学,水声工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,水声工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,水声工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学,水声工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TB565【相关文献】1.1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究 [J], 王科鑫;何敏;郝琦;刘阳;曾德平2.1-3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析 [J], 陈俊波;王月兵;仲林建3.背衬层对1-3型压电复合材料换能器性能的影响 [J], 杜斌;张铭霞;张波;刘福田4.一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法 [J], 孙瑛琦; 曾德平; 张春杨; 许佳琪; 张菁霓; 龚洋; 何倩; 高雪梅; 杨增涛5.有限元法分析1-3型压电复合材料换能器 [J], 李莉;王丽坤;秦雷因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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=⋅）。
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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：
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