第３６卷第５期 ２０１３年１Ｏ月 山东陶瓷 ＳＨＡＮＤｏＮＧ ＣＥＲＡＭＩＣＳ Ｖｏ１．３６ ＮＯ．５ Ｏｃｔ．２Ｏ１３ ・科学实验・ ＤＯＩ码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—０６３９．２０１３．０５．００１ 背衬层对１—３型压电复合材料换能器性能的影响 社 斌 ，张铭霞。，张 波 ，刘福田 （１．济南大学材料科学与工程学院，济南２５００２２；２．山东工业陶瓷研究设计院有限公司，淄博２５５０３１） 摘 要 本文制备了１—３型压电复合材料换能器，通过对比不同背衬层材料对换能器灵 敏度的影响，得出用环氧树脂＋钨粉时换能器具有较好的灵敏度；通过对比不同的封装材料对 换能器灵敏度的影响，得出用环氧树脂为封装材料时比用金属材料为封装材料时要好。 关键词 １～３型压电复合材料；换能器；背衬层；封装材料； 中图分类号：ＴＱ１７４．５ 文献标识码：Ａ 换能器的出现到发展，经历了漫长的过程，同 能器包括边缘型换能器和Ｆｒｅｓｎｅｌ聚焦换能器Ｌ５］。 西安交通大学的李邓化等人制备了１—３型压电复 合材料圆柱形水听器［６］。杭州应用声学所的钟林 时也为后人的研究积累了宝贵的经验。英国科学 家理查孙在“泰坦尼克号”发生后的第５天和一个 月后连续报了两项专利，利用声波在空气中和水中 探测障碍物，提出使用有指向发射的换能器。第一 次世界大战期间Ｌｎａｇｅｎｖｉ发明的钢一石英一钢结 构的夹心压电换能器，即早期的“探照灯式”声纳， 建等人制成了活塞型换能器 ］。中国海洋大学的 于兴盛等人设计了旁瓣级低于一２５ｄＢ的低瓣水声 换能器［７］。 不同频率的换能器应用于不同的环境，影响 换能器性能的因素很多，本文制做了１—３型压电 复合材料换能器，通过对比不同的背衬层材料对 换能器性能的影响，得出合适的背衬层，通过对比 在产生低频大功率超声设备上取得了重大进展。 Ｈ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ对郎之万夹心式换能器进行了优化和 改进，提出了施加预应力的夹心式换能器，为超声 在工业上的应用奠定了基础。第二次世界大战后， 电子技术的发展大大推动了声纳技术的发展［１］。 不同封装材料对换能器性能的影响，得到合适的 封装材料。 运用有限元和边界元使得研制更加快捷方便。我 国于２Ｏ世纪５０年始致力于研究超声加工、清 洗、粉碎和乳化等方面的应用，进而研究磁质伸缩 换能器、压电换能器等。２０世纪６ｏ年代集中研究 夹心换能器等。７０￣８０年代提出了半穿孔结构带 宽压电换能器和双辐射换能器。９０年展了大 尺寸压电换能器的二维分析，为换能器在工业方面 １ 实验部分 １．１ 实验原料 功能相：ＰＺＴ５（锆钛酸铅） 基体相：环氧树脂 封装材料：环氧树脂（双酚Ａ型）济南天茂树 脂化工公司； 的应用奠定了基础［２Ｊ。北京大学栾桂冬等人Ｌ３］研 制了ＰＶＤＦ圆柱型水听器，该水听器的外形尺寸为 ９３０×２９ｍｍ，耐压壳为聚丙烯，灌注层为聚氨酯橡 胶，压电原件用两片先串联的４层复合ＰＶＤＦ膜组 固化剂：透明固化剂，济南天茂树脂化工 公司。 １．２仪器设备 切割机：ＷＸＱＨ１６０型金刚石外圆下切割划 成【４］。中国科学院研究所的刘殿峰等人通过调整 １—３型压电复合材料换能器中压电相的分布，获 得具有特殊性能的声场，制备成功了非均匀振动换 收稿日期：２０１３—０８—０１ 片机，沈阳麦科材料加工设备有限公司； 准静态测量仪：ｚｊ一３Ａ准静态ｄ。。测量仪，中 科院声学研究所； 作者简介：杜斌，男，１９８９，籍贯：甘肃武威，济南大学硕士研究生。 第５期 杜斌等：背衬层对１—３型压电复合材料换能器性能的影响 ９ 团一 图４背衬层为空气和环氧钨粉的波形 图５ 背衬层为环氧钨粉和硬质泡沫的波形 图６不同封装材料的接收波 振和多次反射时的幅长。本实验中分别以环氧树 脂＋钨粉和硬质泡沫为背衬层做对比实验。实验 结果如图５所示。用环氧树脂＋钨粉为背衬层时 的最大峰峰值为６６５．３７ｍＶ，用硬质泡沫做背衬 金属外壳 环氧树脂外壳 图７换能器外壳样品 层时的最大峰峰值为４１１．１４ｍＶ。说明环氧树脂 ＋钨粉作为背衬层时的灵敏度要比硬质泡沫作为 背衬层时好，两种材料的幅值衰减相差不大。因 此，在本实验中确定了以环氧树脂＋钨粉作为背 衬层时换能器有较好的性能。 ２．３封装材料的影响 封装材料能够起到对压电复合材料的保护、 支撑压电复合材料、与介质起到绝缘的作用。封 装材料按材料分类可以分为金属封装材料、树脂 封装材料、陶瓷封装材料等。树脂封装材料具有 价格低廉、质轻等优点，广泛的应用于民用封装。 塑料封装材料一般以环氧聚合物为主。金属封装 材料具有机械强度高、散热较好的优点。但是金 属封装材料成本较高，一般应用于精密度较高的 行业中。陶瓷封装材料耐湿性好、线性膨胀系数 较好、高的电绝缘性、很高的化学稳定性等优点， 然而，陶瓷封装材料因其成型困难、脆性大的缺点 了其应用范围。在本组实验中确定封装材料 对换能器影响较小的材料，并且具有较好的工作 稳定性［１ 。实验中分别制作用环氧树脂制作的 换能器外壳和用金属制作的外壳，通过对比实验 来寻求较好的结果。 对不同外壳的换能器接收波形进行测试结果 如图６。 由图６知用环氧树脂为封装材料时换能器接 收到的波比较“纯净”，受到的干扰比较小。而金 属为封装材料时接收波比较“杂”，受到的干扰较 大。环氧树脂比金属接收到的波要好的原因可能 是由于加入的背衬层材料是环氧钨粉，电极的绝 缘措施做的不完善，导致金属封装材料的接收波 较差。图７为两种不同封装材料的换能器的实物 照片。 以上仅分析了两种封装材料，由于实验条件 的以及工艺对于他的封装材料没有分 山东陶瓷 第３６卷 率的跟踪研究［Ｄ］．陕西：陕西师范大．２００６：１—３ 析，此在今后的工作中仍要研究其他封装材料对 换能器影响，以制备出性能好、绝缘性好、成本较 低的换能器。 ［３］架桂冬．王光灿．新型换能器技术的进展［Ｊ］．哈尔滨工程大 学学报．２００４，３２２—３２６ Ｅ４１李伟平．铁电共聚物Ｐ（ＶＤＦ—ＴｒＦＥ）的性能和换能器的模 ３ 结论 ３．１背衬层的加入提高了换能器的声学衰减性 能。对空气、环氧树脂＋钨粉、硬质泡沫做对比实 验，结果表明环氧树脂＋钨粉的接收波形衰减最 快，然而灵敏度比空气背衬稍有降低。综合考虑 确定以环氧树脂＋钨粉为合适的背衬层材料。 ３．２不同的封装材料会对换能器造成一定的影 拟研究［Ｄ］．武汉：武汉大学，２００４ Ｅ５］刘殿峰．李明轩．１—３型压电复合材料非均匀振动换能器 的研究［Ｊ］．应用声学．１９９６，１７（１）：ｕ—ｌ４ ［６］李邓化．夏颂，张良莹，姚熹．１—３型压电复合材料圆柱形 水听器Ｉ－Ｊ１．功能材料与器件学报．２００１，７（２）：１２５—１２９ ［７］钟林建．陈俊波，王世全．１—３型压电复合材料的制备及性 能分析［Ｊ］．声学与电子工程．２００７，８５：３１—３４ ［８］Ｔ．Ｒ．Ｇｕｒｕｒａ］ａ，Ｗ．Ａ．Ｓｅｈｕｌｚｅ，Ｌ＿Ｅ．Ｃｒｏｓｓ，Ｒ．Ｅ．Ｎｅｗｎｈａｍ， Ｂ．Ａ．Ａｕｌｄ，ａｎｄ Ｙ Ｊ．Ｗａｎｇ．Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅ— 响，通过对比环氧树脂为封装材料和金属作为封 装材料，得出用环氧树脂封装材料时的性能要比 金属为封装材料的好。 ｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．［Ｍ］Ｐａｒｔ Ｉ： １９８５，ＳＵ一３２，４８１—４９８ ［９１ Ａｂｒａｒ Ａ，Ｚｈａｎｇ Ｄ，Ｓｕ Ｂ．１—３ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｅ— ｒａｍｉｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｍａｄｅ ｗｉｔｈ ｖｉｓｃｏｕｓ 参考文献 ［１］ 张丽萍．宽带Ｃｙｍｂａｌ平面圆阵的研［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工 程大学．２００９ ｐｏｌｙｍｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ［Ｊ］．ｕｌ— ｔｒａｓｏｎｉｃｓ，２００４，４２：４７９ ［１０１ 吴伟炜．秦雷．李莉．董天晓．王丽坤．一种新型水声发射换 能器的结构设计［Ｊ１．北京机械工业学院学报．２００８，２３（４）： ３—４ ［２３ 王艳东．压电换能器在并联谐振频率附近的特征及自动频 Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｂａｃｋｉｎｇ Ｌａｙｅｒ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ １—３ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ｅｘｔｅｒｉｏｒ Ｗａｌｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｄｕ Ｂｉｎ ，Ｚｈａｎｇ Ｍｉｎｇｘｉａ ，Ｚｈａｎｇ Ｂｏ ，Ｌｉｕ Ｆｕｔｉａｎ （１＊．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｊ ｉｎａｎ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊ ｉｎａｎ ２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｌｔｄ，Ｚｉｂｏ ２５５０３１） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ １—３ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒ— ｅｎｔ ｂａｃｋｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｈａｓ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｗｈｉｃｈ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｐｏｘｙ ａｎｄ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｐｏｗｄｅｒ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ｉｓ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｃａｐ— ｓｕｌａｔｅｄ ｍａｔｅｒｉａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ １—３ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；Ｂａｃｋｉｎｇ；Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
