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海洋換能器材料研究

海洋換能器是潛艇、水面艦艇、魚雷等水聲裝備實現水下導航與通信、水下目標探測與識別和水聲對抗的核心器件,壓電材料是水聲變換器的重要材料,直接影響和制約了水聲變換器技術的發展。壓電單晶復合材料作為下一代壓電智能材料具有壓電常數高、機電耦合系數高等優點,可以顯著提高換能器的帶寬、靈敏度、分辨率等指標。

不同換能器對壓電單晶復合材料的性能需求存在差異,但同一材料難以同時實現所有指標的優化,因此為了充分發揮壓電單晶復合材料的性能優勢,需要根據水聲換能器的具體應用需求。

為了提高材料的設計效率,降低實驗成本和時間,迅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、混合定律、串并聯理論及有限元理論提出了一種設計方法:解析模型與數值模型相結合。

首先,利用分析模型明確建立了壓電單晶復合材料的宏觀等效性能參數和體積分數的定量關系。 然后,針對水聲變換器的具體應用要求,在選擇合理體積分數的基礎上,采用數值法建立了相應體積分數的壓電單晶復合材料有限元模型,重點研究了壓電單晶柱寬高比復合材料綜合性能的影響,得到了合理結構參數通過實驗驗證了該方法的有效性和正確性。

海洋換能器采用解析法的主要優點是可以迅速且靈活地調整壓電單晶相的成分、剪切型、極化方向和聚合物相的楊氏模量、泊松比等二相材料的特性。采用數值法的主要優點是可以廣泛研究復合材料的形狀(例如平面狀、曲面狀、球冠狀、弧狀)、單晶柱的排列方式(例如不均勻、不規則的排列)和結構參數(長寬比)對壓電單晶復合材料綜合性能的影響與根據以往的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,實現了被動選擇材料并主動賦予。

 

 


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