1-1-3型压电复合材料宽带换能器

超声换能器的发展和应用1.换能器的概述1.1发展历史超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。

最早的超声换能器是P1 郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。

这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。

1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。

到了50 年代, 由于电致伸缩材料、钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。

目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。

目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。

超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 国内外均大力研究, 近年来取得了很多成就。

1.2分类：压电超声换能器的种类很多, 按组成超声换能器的压电元件形状分为薄板形、圆片形、圆环形、圆管形、圆棒形、薄壳球形、压电薄膜等; 按振动模式分为伸缩振动、弯曲振动、扭转振动等; 按伸缩振动的方向分为厚度、切向、纵向、径向等; 按压电转换方式分为发射型(电2声转换)、接收型(声2电转换)、发射2接收复合型等。

1．超声压电材料的发展：(1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷足超声成像换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到，一泛应用。

同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、大而积元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。

20世纪70年代美国Newnham等J开始对复合材料的研究，复合材料是将压电陶瓷和高分子材料按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成，目前研究和应用最广泛的为l～3型压电复合材料，其具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因数和容易：成型等特性复合材料超声换能器可实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像，其性能明显优于压电陶瓷材料制作的换能器。

医用超声探头的研究进展安玉林;周锡明;沙宪政【摘要】本文阐述了医用超声探头在超声诊断设备发展中的重要地位，介绍了医用超声探头的应用现状，同时从材料工艺、结构技术以及应用等方面分析了医用超声探头的发展现状和前景。

%This paper analyzed the importance of the medical ultrasound probe in development of ultrasound equipment and introduced its current applications. Additionally, the current development and future prospects of the medical ultrasound probe were also analyzed from various perspectives including the material technology, structure technology and its applications.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P71-73,62)【关键词】医学超声设备;医用超声探头;超声换能器【作者】安玉林;周锡明;沙宪政【作者单位】解放军四零一医院医学工程室，山东青岛，266071;岳阳市一人民医院设备科，湖南岳阳，414000;中国医科大学生物医学工程系，辽宁沈阳，110001【正文语种】中文【中图分类】R197.39随着科技的进步，医用超声诊断设备不断地朝着宽频带化、数字化、多功能化、多维化、信息化发展。

如今的超声诊断领域出现了多种新的技术，如超声内窥镜、超声CT、多维超声、血管内超声等。

超声诊断技术在现代化医院内具有重要地位，其中医学超声成像技术、X-CT、MRI及ECT是4大医学影像技术[1]。

超声探头在各类超声诊断设备中占有重要的位置，常被称为超声诊断仪的“眼睛”，它既能将高频电能转换为超声机械能向外辐射，也可以接收超声波并将声能转换为电能，即具有发射和接收超声波双重功能，其性能和品质直接影响整个系统的性能。

一、1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵(1) 矩形线列换能器阵结构利用1-3-2型复合材料阵元组成的矩形线列换能器阵结构见图1，该线列阵由四片矩形1-3-2复合材料阵元构成，阵元沿直线紧密排列。

四个1-3-2型复合材料阵元的外形尺寸、内部结构完全相同，均为25mm×25mm×5mm的矩形薄片，内部结构的每个周期中陶瓷柱截面为0.84mm×0.84mm，环氧树脂宽为0.43mm，陶瓷基底厚为0.5mm。

1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵的其它辅助部件包括换能器外壳、背衬、解耦材料、聚氨酯、电极引线和电缆等。

其中外壳材料选用金属黄铜，形状为上部敞口的长方体空盒，外形尺寸为114mm×33mm×15mm，四面侧壁厚度为2mm，底座厚6mm，其中开有83mm×4mm×3mm 的走线槽。

另外，底座中心还有一直径3mm的通孔，用于同轴电缆穿过。

外壳的作用主要是定位阵元，承受压力和抗腐蚀等。

设计中采用硬质泡沫塑料作为换能器的背衬和边条，背衬和边条厚度均为2mm，复合材料阵元通过环氧粘接剂粘在背衬上，背衬具有反声、绝缘的作用；每个阵元四周由硬质泡沫边条将阵元之问、阵元与外壳之间隔离，目的是解耦和绝缘。

另外，背衬和边条还起到定位复合材料阵元的作用。

换能器阵元上表面，即换能器辐射面被覆有2mm厚的聚氨酯匹配层，用于防水、透声。

图1矩形线列换能器阵结构(2) 矩形平面阵结构图2矩形平面阵结构(a)整体结构(b) 剖面结构(c) 外壳结构(3) 圆柱形换能器(b)图3圆柱形换能器参考附件中李莉的毕业论文112-128页二、平面水听器及双激励加匹配层换能器（非压电复合材料）参考杭州应用声学所三、tonpliz型水声换能器（非压电复合材料）参考西北工业大学四、低旁瓣水声换能器参考中国海洋大学五、侧扫声纳系统结构图参考中科院声学所。

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。

压电-压磁弹性复合材料的研究摘要：本文主要简介了压电复合材料的基本概念、结构与性能关系，加工工艺，对压电复合材料的发展、现状进行概述。

并介绍了压电压磁弹性复合材料的研究现状。

复合材料是20世纪70年代发展起来的一种多功能复合材料，它对我国电力市场发展具有十分重要的意义。

abstract: composite materials are a kind of multi-functionalmaterials,which is developed in the 1970s. in this paper, thecurrent development of piezoelectric composite materials arediscussed by introducing the basic concept of thepiezoelectric composite materials, the relationship betweenstructure and properties, processing technology and theresearch status on piezoelectric/piezomagnetic materials.关键词：压电材料；压电复合材料；压电压磁弹性复合材料key words: piezoelectric material；piezoelectric compositematerials；piezoelectric/piezomagnetic material中图分类号：ｏ632 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2012）11-0307-020 引言压电陶瓷作为一种压电材料，应用于电子、传感、变压、水声换能、超声、电光等诸多领域。

其发展十分迅速，至今已研制出许多性能优异的材料，然而单相材料在某些应用领域具有难以克服的缺点，人们试图寻找新的解决途径，从而使压电复合材料作为一类新的压电材料得到较快的发展。

压电材料概述班级：稀土10-1姓名：***学号：**********指导老师：***时间：2012-11-30压电材料概述摘要本文介绍了压电效应的作用机理以及材料产生压电效应的原因，并综合概括了压电材料的发展历程及现今的研究方向。

关键词压电效应；压电材料；发展历程；发展方向压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

由于压电材料的这一性能，以及制作简单、成本低、换能效率高等优点，压电陶瓷被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。

主要应用有压电换能器、压电发电装置、压电变压器，医学成像等。

1、压电材料与压电效应1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。

这一现象被称为压电效应。

随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。

反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

材料要产生压电效应,其原子、离子或分子晶体必须具有不对称中心,但是由于材料类型不同,产生压电效应的原因也有所差别。

下面以压电陶瓷为例,解释压电效应产生的原因。

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,与石英单晶产生压电效应有所不同。

在无外电场作用时,压电陶瓷内的某些区域中正负电荷重心的不重合,形成电偶极矩,它们具有一致的方向,这些区域称之为电畴。

但是各个电畴在压电陶瓷内杂乱分布(图a),由于极化效应被相互抵消,使总极化强度为零,呈电中性,不具有压电特性。

如果在压电陶瓷上施加外电场,电畴的方向将发生转动,使之得到极化,当外电场强度达到饱和极化强度时,所有电畴方向将趋于一致(图b)。