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海洋換能器材料設計

各種海洋換能器對壓電單晶復合材料功能的標準有差異,但同一材料難以同時實現所有指標的優化,為了充分發揮壓電單晶復合材料的性能優勢,應根據換能器的具體應用要求修改壓電單晶復合材料的結構和性能。

為了提高材料的設計效率,降低實驗成本和時間,快速準確地確定壓電單晶復合材料中壓電相和聚合物相的兩相材料特性、體積分數、長寬比等參數的選擇,本文基于均勻場理論、混合規律、串并行理論和有限元理論,提出了一種結合分析模型和數值模型的設計方法。

首先,利用解析模型明確了壓電單晶復合材料的宏觀等效性能參數與體積分數的定量關系。 然后根據水聲變換器的具體應用要求,在選擇合適的體積分數基礎上,用數值法建立相應體積分數的壓電單晶復合材料有限元模型,著重研究壓電單晶柱寬高比復合材料綜合性能的影響,獲得科學結構參數, 兩者的有效結合能夠快速準確地完成壓電單晶相和聚合物相兩相材料的材料特性、體積分數和結構參數的選擇,通過實驗驗證了該方法的有效性和準確性。

采用分析法的主要優點在于,采用壓電單晶相的成分、切割型、極化方向與聚合物相的楊氏模量、泊松比等能夠迅速且靈活地調整兩相材料的特性的數值法。主要優點在于,采用復合材料的形狀(例如平面狀、曲面狀、球冠狀、弧狀)、單晶柱的排列方式(例如與傳統材料性能決定器件性能的方式不同,該綜合設計方法完成了指導器件性能的壓電單晶復合材料的結構和性能的設計,實現了從材料被動選擇到主動賦予能量,對面向海洋換能器的壓電單晶復合材料的設置開發與生產、應用具有重要意義。

 

 


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