1-3 пьезокомпозитные материалы: полный обзор
В последние годы 1-3 пьезокерамические композитные материалы привлекают widespreadное внимание как уникальный класс функциональных материалов. Эти композиты сочетают в себе желаемые свойства как пьезокерамики, так и полимерных фаз, предлагая значительные преимущества перед обычной пьезокерамикой. Параллельное расположение одномерных взаимосвязанных пьезокерамических фаз в трехмерной взаимосвязанной полимерной матрице приводит к повышению эффективности электромеханического преобразования, более низкому акустическому импедансу и более широкой полосе пропускания, что делает их highly подходящими для различных применений.
Такие области, как подводная акустика, фотоакустическая визуализация, оптоакустическая визуализация и биомедицинская инженерия, значительно выиграли от разработки и применения 1-3 пьезокерамических композитов. Несмотря на проблемы, связанные со сложностью изготовления, стоимостью и диапазоном рабочих температур, продолжающиеся исследовательские усилия направлены на оптимизацию свойств и расширение применений этих композитных материалов. Это введение дает обзор 1-3 пьезокерамических композитных материалов, освещая их преимущества, недостатки и потенциальные применения в различных областях.
Что такое 1-3 пьезокомпозитный материал
1-3 пьезокомпозитные материалы состоят из одномерных взаимосвязанных пьезокерамических фаз, расположенных параллельно трехмерной взаимосвязанной полимерной фазе. Добавление полимера эффективно снижает слабость керамики в прочности и хрупкости, уменьшает поперечную связь керамики и увеличивает продольную эффективность электромеханического преобразования композитного материала. Материал обладает низким акустическим импедансом, что облегчает согласование импеданса с такими средами, как вода и кожа. Он также имеет низкую диэлектрическую проницаемость, малую статическую емкость, высокую чувствительность приемного напряжения и высокий гидростатический пьезоэлектрический коэффициент (gh=dh/ε), что делает его пригодным для изготовления гидрофонов.
Дополнительными преимуществами материала являются низкий уровень эквивалентного шумового давления и высокая чувствительность. Из-за большого затухания полимера композитный материал имеет низкое значение Qm и подходит для изготовления широкополосных преобразователей с узким импульсом, что делает его широко используемым пьезокомпозитным материалом.
Типы 1-3 пьезокомпозитных материалов
1-3 композиты, изготовленные по commonly используемому методу Dice&Fill.
- 1-3 Композиты Dice & Fill
- 1-3 Композиты со случайным волокном
- 1-3 Композиты с регулярным волокном
Преимущества 1-3 пьезокомпозитных материалов
Преимущества пьезокомпозитных материалов по сравнению с обычной пьезокерамикой typically включают:
- Слабые поперечные вибрации, что приводит к низкому перекрестному звуковому давлению
- Низкий механический добротность Q
- Большая ширина полосы пропускания (80%-100%)
- Высокий коэффициент электромеханической связи
- Высокая чувствительность, с лучшим отношением сигнал/шум, чем у стандартных PZT-зондов
- Стабильные характеристики в широком диапазоне температур
- Возможность обработки сложных форм зондов с использованием простых техник резки и заполнения
- Легкость изменения параметров, таких как скорость звука, акустический импеданс, относительная диэлектрическая проницаемость и электромеханические коэффициенты (поскольку эти параметры связаны с объемным соотношением керамического материала)
- Легкость согласования с материалами различного акустического импеданса (от воды до стали)
- Возможность регулировки ультразвуковой чувствительности путем изменения объемного соотношения керамики
Недостатки 1-3 пьезокомпозитных материалов
По сравнению с обычными пьезокерамическими компонентами, недостатки пьезокомпозитных материалов typically включают более высокую стоимость и ограниченный диапазон рабочих температур. Процесс изготовления пьезокомпозитных материалов relatively сложен, и различия в объемных долях и структурах двухфазных материалов для разных областей применения могут lead к variations в производительности. Поэтому необходимо находить оптимальные значения параметров материала для каждой области, чтобы достичь оптимальной производительности материала.
Кроме того, материалы могут легко деформироваться под воздействием внешних сил или нагрева, что может серьезно повлиять на связанные акустические radiation характеристики. В то же время наличие непроводящих полимеров в структуре затрудняет вывод электродов, что также ограничивает его применение.
Типичные применения 1-3 пьезокомпозитных материалов
1-3 пьезокомпозитные материалы имеют excellent применения в подводных акустических преобразователях. Для дальнейшего улучшения производительности материала используется метод резки и заполния для производства композитных материалов. Определяется влияние объемной доли керамической фазы на гидростатическую пьезоэлектрическую постоянную, гидростатическую чувствительность, коэффициент электромеханической связи, механическую добротность и характеристический импеданс. Также изучается влияние объемной доли пьезофазы и соотношения ширины и высоты пьезостолбиков на производительность.
Экспериментальные результаты показывают, что гидростатическая пьезоэлектрическая постоянная деформации имеет максимальное значение, когда объемная доля керамической фазы составляет от 40% до 60%. Чем меньше соотношение ширины и толщины керамического столбика, тем тоньше керамический столбик и выше чувствительность подводного акустического преобразователя. Уменьшая длину стороны пьезофазы или увеличивая ширину канавок между керамическими столбиками, можно уменьшить объемную долю пьезофазы, что делает 1-3 пьезокомпозитные материалы более подходящими для подводных акустических преобразователей.
В последние годы 1-3 композиты также появились в фотоакустической визуализации и оптоакустической визуализации. Ли Ян и др. разработали миниатюрный эндоскопический зонд для 1-3 композитного ультразвукового преобразователя на основе PMN-PT/эпоксидной смолы, улучшив производительность материала с точки зрения композитных свойств и применив его в двухрежимных фотоакустических (PA)/ультразвуковых системах визуализации (US).
По сравнению с PMN-PT и композитными ультразвуковыми преобразователями из цирконата-титаната свинца (PZT), новый ультразвуковой преобразователь имеет улучшенную полосу пропускания, PA-изображение и US-изображение отношение сигнал/шум. Преобразователь отличается высоким пьезоэлектрическим коэффициентом d33, высоким коэффициентом связи Kt и низкими диэлектрическими потерями, что further усиливает чувствительность традиционных PA/US систем визуализации.
С точки зрения свойств материала, температура оказывает significant влияние на материал. Исследователи изучили температурные характеристики 1-3 пьезокомпозитных материалов и обнаружили, что для материалов, изготовленных из PZT-5a/эпоксидной смолы, постоянные, пьезоэлектрические постоянные и коэффициенты электромеханической связи увеличиваются с температурой в диапазоне от 20°C до 120°C. Коэффициенты упругой жесткости и резонансные частоты уменьшаются с increasing температурой, в то время как диэлектрические потери показывают закономерность сначала увеличения, затем уменьшения и, наконец, снова увеличения по мере роста температуры.
Когда материал пьезофазы изменяется на PZT-PZM-PZN, диэлектрические потери увеличиваются с increasing температурой. В целом, выводы о диэлектрических постоянных и коэффициентах электромеханической связи могут быть consistent в разное время, в то время как влияние на диэлектрические потери может vary. Эти findings могут помочь расширить применение 1-3 композитных материалов в high-temperature преобразователях.
Не только изменения пьезофазы влияют на свойства материала, но и различия в производительности due to изменения полимерной фазы также attracted внимание исследователей. Из-за присутствия полимерной фазы низкая механическая добротность затрудняет использование 1-3 пьезокомпозитных материалов в high-power ультразвуковых преобразователях. Исследования показали, что выбор полимеров с низкими потерями и низким модулем упругости может улучшить электромеханическую связь и механическую добротность 1-3 пьезокомпозитных материалов, позволяя 1-3 композитным материалам successfully применяться в high-power ультразвуковых преобразователях.
В области биомедицинской инженерии ультразвуковые преобразователи стали research hotspot в ультразвуковой медицинской диагностике. Исследователи разработали оболочечные фокусирующие преобразователи из 1-3 пьезокомпозитного материала, которые улучшают полосу пропускания, скорость электромеханического преобразования и lower импеданс по сравнению с обычными керамическими преобразователями, играя vital роль в повышении производительности high-intensity сфокусированного медицинского оборудования.
Другие исследователи применили 1-3 пьезокомпозитные материалы для внутрисосудистой ультразвуковой визуализации. Из-за малого размера кровеносных сосудов внутрисосудистая ультразвуковая визуализация usually имеет более низкое поперечное разрешение. Фокусирующие преобразователи, изготовленные из PZT/эпоксидной смолы 1-3 пьезокомпозитного материала, effectively преодолевают это ограничение, демонстрируя, что преобразователи из 1-3 пьезокомпозитного материала имеют bright будущее в области биомедицинской инженерии.
Заключение
1-3 пьезокомпозитные материалы показали remarkable потенциал в широком спектре применений, таких как подводная акустика, фотоакустическая визуализация, оптоакустическая визуализация и биомедицинская инженерия. Сочетая благоприятные свойства пьезокерамики и полимерных фаз, эти композиты предлагают significant преимущества по сравнению с обычной пьезокерамикой, включая улучшенную эффективность электромеханического преобразования, lower акустический импеданс и более широкую полосу пропускания.
Хотя существуют проблемы, связанные со сложностью изготовления, стоимостью и диапазоном рабочих температур, продолжающиеся исследования continuously seek оптимизировать свойства и расширить применения этих композитных материалов. По мере углубления нашего понимания 1-3 пьезокомпозитов ожидается, что их использование будет continue расти и способствовать further достижениям в различных областях.
