2007 1_3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析

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：
[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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