賈俊博，秦 雷,3，仲 超，王麗坤,3

(1.北京信息科技大學(xué) 傳感器北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；3.北京信息科技大學(xué) 教育部現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192)

壓電復(fù)合材料作為換能器的核心敏感材料經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的快速發(fā)展。因其既具有壓電相材料的壓電性能又可以通過添加聚合物相來提高材料的綜合性能，故在超聲無損探傷、地質(zhì)探測(cè)、水下聲吶通信等方面有著無可替代的作用[1-3]。壓電陶瓷的剪切振動(dòng)模態(tài)作為典型振動(dòng)模態(tài)的一種，其極化方向和電場(chǎng)方向垂直分布，在激勵(lì)作用下則在極化方向和電場(chǎng)方向組成的平面內(nèi)產(chǎn)生剪切形變[4]。對(duì)于大多數(shù)壓電元件，壓電陶瓷剪切振動(dòng)模態(tài)的壓電系數(shù)d15比d33系數(shù)高出50%～70%[5-6]，且其頻率常數(shù)、介電常數(shù)都較低。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于壓電材料d15模態(tài)研究較少，大多數(shù)是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來利用d15獨(dú)特的剪切形變，且多用于能量收集領(lǐng)域。如美國(guó)新澤西州立大學(xué)的Safari等[7]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用d15模式的壓電復(fù)合材料，壓電陶瓷柱以45°角放置于聚合物中。然而由于其工藝復(fù)雜，性能提升不明顯，沒能得到廣泛應(yīng)用。Ren等[8]將工作于d15模態(tài)的PMNPT單晶應(yīng)用于俘能器上，通過質(zhì)量塊和懸臂梁的作用，將外界振動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓電單晶的切向形變，取得了較高的輸出電功率。Zhao等[9]將兩塊工作于d15模態(tài)的PZT壓電陶瓷串聯(lián)應(yīng)用于壓電俘能器上，性能得到了進(jìn)一步提高。Trindade等[10-11]應(yīng)用d15模態(tài)設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料。該壓電材料的壓電應(yīng)變常數(shù)d15和介電常數(shù)并沒有減小，而壓電電壓常數(shù)e15和剪切模量卻降低了90%。Yan等[12]提出基于d15剪切機(jī)電耦合的接觸型行波壓電微電機(jī)，采用單體PZT作為定子，定子在交變電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一階和二階的彎曲振動(dòng)模態(tài)，擺動(dòng)的定子表面產(chǎn)生行波并以順時(shí)針或逆時(shí)針的方向摩擦轉(zhuǎn)子使其轉(zhuǎn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)較同類型產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)在于小型化，轉(zhuǎn)速高，扭矩大。Han等[13]應(yīng)用壓電陶瓷的d15模態(tài)構(gòu)成壓電圓管，通過剪切振動(dòng)帶動(dòng)磁性材料旋轉(zhuǎn)形成磁電耦合，較非d15模態(tài)的剪切換能器相比能量密度大幅提高，證明其在磁傳感器，換能器以及俘能器等方面有較好的應(yīng)用前景。Yuan等[14]提出剪切壓電纖維復(fù)合材料(Shear Piezoelectric Fiber Composites,SPFC)的新穎結(jié)構(gòu)，其極化方向是厚度方向，在水平方向交替施加電場(chǎng)。在驅(qū)動(dòng)條件下，SPFC顯示出較大的剪切應(yīng)變。至此，越來越多的科研學(xué)者青睞于d15的優(yōu)良特性?？梢?，d15剪切振動(dòng)模態(tài)還有著極大的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

本文提出一種基于剪切振動(dòng)的新型壓電復(fù)合材料。通過設(shè)計(jì)梯形過渡層，將壓電陶瓷產(chǎn)生的剪切振動(dòng)轉(zhuǎn)化為過渡層的厚度振動(dòng)，以此來達(dá)到應(yīng)用剪切振動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生縱波的目的，進(jìn)而使得這種復(fù)合材料可以應(yīng)用于水聲或超聲換能器。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

基于剪切振動(dòng)的壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該復(fù)合材料由壓電陶瓷相、被動(dòng)相構(gòu)成。其中沿X軸正向極化的壓電陶瓷以及沿X軸負(fù)向極化的壓電陶瓷沿X軸方向交替排列。壓電陶瓷間粘接被動(dòng)相，垂直于Z軸的兩個(gè)陶瓷面上制備電極。

圖1 基于剪切振動(dòng)的壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of piezoelectric composite based on d15 mode

如圖2所示是壓電復(fù)合材料的極化方向及振動(dòng)模態(tài)示意圖。由于極化方向與電場(chǎng)方向夾角為90°，所以會(huì)激發(fā)壓電陶瓷的d15振動(dòng)模態(tài)。即在極化方向?yàn)镻方向的壓電陶瓷材料上，施加E方向(即垂直于極化方向)的電激勵(lì)時(shí)，在EP組成的平面內(nèi)產(chǎn)生切向形變。由圖2可知，第一和第二個(gè)基元表示了陶瓷材料的極化方向P和電場(chǎng)方向E；第三、第四和第五個(gè)基元表示了陶瓷材料在電場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生的形變。可以看出第三、第四兩個(gè)基元共同作用可以帶動(dòng)基元間的被動(dòng)相a(即被動(dòng)相填充層)產(chǎn)生振動(dòng)，而第四、第五個(gè)基元共同作用可以帶動(dòng)被動(dòng)相產(chǎn)生相反的振動(dòng)。這種振動(dòng)再通過梯形被動(dòng)相b(即被動(dòng)相過渡層)分別傳遞到上下表面的被動(dòng)相平面c(即被動(dòng)相平面層)上，從而完成機(jī)電轉(zhuǎn)換過程，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷剪切振動(dòng)到復(fù)合材料厚度振動(dòng)的轉(zhuǎn)化。

圖2 基于剪切振動(dòng)的壓電復(fù)合材料振動(dòng)原理圖Fig.2 The vibration principle diagram of piezoelectric composite based on d15 mode

2 有限元參數(shù)分析

Kranz等[15]發(fā)現(xiàn)不同尺寸參數(shù)會(huì)對(duì)復(fù)合材料機(jī)電耦合系數(shù)產(chǎn)生較大影響，而機(jī)電耦合系數(shù)是表征換能器能量轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo)。因此本文前期對(duì)尺寸參數(shù)與機(jī)電耦合系數(shù)的關(guān)系做了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于PZT-5A型壓電陶瓷，當(dāng)電場(chǎng)方向尺寸與極化方向尺寸之比接近1.1時(shí)，剪切振動(dòng)的機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到最高值0.56。為使加工方便，本文選取壓電陶瓷電場(chǎng)方向尺寸與極化方向尺寸均為10 mm、長(zhǎng)度為7 mm的陶瓷小塊作為基元。運(yùn)用商業(yè)仿真軟件Ansys?(ANSYS,Inc.USA)對(duì)單一基元的陶瓷振動(dòng)情況進(jìn)行諧響應(yīng)分析并觀測(cè)其諧振處的振動(dòng)情況。同時(shí)，制備相同尺寸的PZT-5A型壓電陶瓷基元，去掉原有極化方向的電極并在與之垂直方向?yàn)R射電極。通過HP 4294A(Agilent Technologies Inc.USA)阻抗分析儀測(cè)量其導(dǎo)納曲線，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，導(dǎo)納曲線可以看出該尺寸下的壓電陶瓷基元諧振頻率仿真結(jié)果為107.19 kHz，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為105.85 kHz，誤差為1.26%。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。實(shí)測(cè)結(jié)果的諧振頻率和諧振點(diǎn)處的電導(dǎo)值較仿真結(jié)果均略有下降，這是由于有限元仿真軟件所用的材料參數(shù)與實(shí)際情況略有差別。

應(yīng)用激光多普勒測(cè)振儀(PSV-400 Polytec Inc.Germany)觀測(cè)樣品的實(shí)際振動(dòng)情況。如圖4(a)為有限元模型及其剪切形變。圖4(b)為用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量得到的PZT-5A壓電陶瓷塊的剪切振動(dòng)模態(tài)。被測(cè)的振動(dòng)表面是圖4(a)中所示的上表面。由圖4(a)可知，圖中壓電陶瓷上表面一部分相位為正，一部分相位為負(fù)，與圖4(a)給出的剪切振動(dòng)有限元分析結(jié)果較符合。本文選用工作于這種剪切振動(dòng)的壓電陶瓷塊作為壓電復(fù)合材料的振動(dòng)基元。

圖3 單一基元電導(dǎo)有限元仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Contrast of single-element conductance finite element simulation and measured results

圖4 單一基元的有限元仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of a single-element finite element simulation and measured results

在這種新型壓電復(fù)合材料中，本文擬采用環(huán)氧樹脂以及硬鋁作為過渡層材料。被動(dòng)相過渡層材料很大程度上決定著剪切振動(dòng)的傳遞效果，將被動(dòng)相過渡層研究類比匹配層理論。依據(jù)聲阻抗與密度、聲速的關(guān)系Z=ρc，式中ρ為匹配層的密度(kg/m3)，c為聲波在匹配層中的傳播速度(m/s)[16]，聲阻抗與材料密度成正比。為了減少聲波傳遞過程中的能量損失，即降低聲阻抗，故理論上應(yīng)該選取密度低的材料作為被動(dòng)相過渡層材料。材料參數(shù)如表1所示。因此本文選取密度較低，楊氏模量逐步增大的環(huán)氧樹脂、硬鋁兩種常用的材料作為過渡層材料進(jìn)行仿真分析。

環(huán)氧樹脂作為過渡層材料時(shí)，復(fù)合材料的仿真電導(dǎo)曲線與其不同諧振頻率處的振動(dòng)形態(tài)如圖5所示。分別觀察39.8 kHz和114.6 kHz處的振動(dòng)模態(tài)，由圖5可知，壓電陶瓷剪切形變沿X軸分量會(huì)對(duì)基元間的環(huán)氧樹脂產(chǎn)生擠壓作用，從而影響整體過渡層的振動(dòng)傳遞效果。故本文選擇楊氏模量較高，密度較小的硬鋁材料代替過渡層材料進(jìn)行進(jìn)一步仿真分析。

表1 不同過渡層材料參數(shù)表Tab.1 The material parameters of different transitional layer

硬鋁過渡層材料的仿真電導(dǎo)曲線與其不同諧振頻率處的振動(dòng)形態(tài)，如圖6所示。由圖6可知，相比圖5低頻率處的諧振峰得到了加強(qiáng)。我們分別選取27.91 kHz，69.77 kHz，147.51 kHz三處的振動(dòng)情況進(jìn)行觀察，可以看出低頻段處的振動(dòng)形態(tài)較為理想，滿足了將剪切振動(dòng)轉(zhuǎn)化為被動(dòng)相平面層的振動(dòng)。但是也可以看出輻射面上的振動(dòng)相位并不一致，這會(huì)影響聲輻射性能，因此其結(jié)構(gòu)仍需改進(jìn)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

依據(jù)仿真分析的參數(shù)結(jié)果，通過精密機(jī)械加工與粘接的方法制備了最優(yōu)參數(shù)下的實(shí)物振子。運(yùn)用激光多普勒振動(dòng)分析儀觀察被動(dòng)相平面層表面的振動(dòng)情況，驗(yàn)證仿真分析的有效性以及該結(jié)構(gòu)振子的可行性。為驗(yàn)證仿真結(jié)果分別選用環(huán)氧樹脂、硬鋁作為過渡層材料制成該復(fù)合材料振子，被動(dòng)相平面層厚度為h1=4 mm，被動(dòng)相填充層厚度h2=9 mm，被動(dòng)相過渡層角度為30°。使用精密阻抗分析儀及多普勒激光測(cè)振儀測(cè)量其電導(dǎo)曲線與復(fù)合材料表面振動(dòng)形態(tài)。

圖5 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料過渡層仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results of epoxy composite transition layer

如圖7(a)所示，選用環(huán)氧樹脂作為復(fù)合材料被動(dòng)相時(shí)，在低頻范圍處復(fù)合材料表面振動(dòng)起伏不一致，無法完全將剪切振動(dòng)轉(zhuǎn)化為厚度振動(dòng)。這與仿真結(jié)果吻合。觀察圖7(b)選用硬鋁作為復(fù)合材料被動(dòng)相時(shí)，在低頻范圍處復(fù)合材料表面形成類似于彎張的振動(dòng)模態(tài)，這是由于在此頻率下剪切振動(dòng)的壓電陶瓷激勵(lì)了硬鋁的彎張振動(dòng)模態(tài)。

圖6 硬鋁復(fù)合材料過渡層仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of ductile aluminum transition layer

圖7 環(huán)氧樹脂、硬鋁復(fù)合材料過渡層實(shí)物圖與激光測(cè)振對(duì)比結(jié)果Fig.7 The actual transition layer and laser vibration test results

4 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型

上述研究中發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在低頻時(shí)表面振動(dòng)更適合輻射聲波，而被動(dòng)相過渡層材料是影響工作頻率最主要的因素。其主要原因是壓電陶瓷剪切形變會(huì)對(duì)基元間的被動(dòng)相填充層產(chǎn)生擠壓作用，基元間過渡層材料楊氏模量越高，越易在低頻段處產(chǎn)生較高的諧振峰。故我們簡(jiǎn)化了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將壓電陶瓷沿X軸直接交替粘接，在接縫處直接粘接梯形輻射面。如圖8(a)所示，陶瓷基元直接粘接相連。通過激光測(cè)振儀觀察表面振動(dòng)模態(tài)，可以看到分別在33 kHz，57 kHz和95 kHz附近出現(xiàn)諧振，其中57 kHz附近振速最大，其振動(dòng)表面出現(xiàn)典型的剪切振動(dòng)模態(tài)。圖8(b)所示，將梯形輻射面直接粘接在陶瓷塊接縫處，可以看到粘接輻射面后，振子諧振峰偏移至28 kHz，60 kHz和86 kHz附近。觀察輻射上表面振動(dòng)情況，輻射面出現(xiàn)整體的起伏，達(dá)到了將剪切振動(dòng)轉(zhuǎn)化為輻射面厚度的振動(dòng)的目的。

圖8 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)復(fù)合材料過渡層實(shí)物圖與激光測(cè)振結(jié)果Fig.8 The simplified structure of the composite material transition layer and laser vibration measurement results

將簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料振子依圖9所示制作換能器。由圖9可知，振子厚度為35 mm，振子的輻射面長(zhǎng)度為15 mm，每個(gè)振子厚度為5 mm，本試驗(yàn)由三組振子并聯(lián)而成，故換能器的輻射面積為15 mm×5 mm×3。

圖9 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)復(fù)合材料換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Simplified structure of the composite material transducer

本文研制的換能器在中船重工集團(tuán)公司長(zhǎng)城無線電廠的水池中進(jìn)行了水下發(fā)射性能測(cè)試。結(jié)果如圖10所示。換能器分別在28 kHz，55 kHz和86 kHz處產(chǎn)生120.1 dB，119.1 dB和127.6 dB三個(gè)發(fā)射電壓響應(yīng)的波峰，與圖8(b)激光測(cè)振峰值的頻率較為吻合。其中28 kHz與55 kHz處的兩個(gè)諧振產(chǎn)生了較強(qiáng)的耦合，在24～60 kHz內(nèi)其發(fā)射電壓響應(yīng)起伏小于6 dB。而發(fā)射電壓和電流響應(yīng)曲線在63 kHz附近產(chǎn)生了一個(gè)較大的凹陷，無法與86 kHz處的諧振耦合，進(jìn)一步拓展帶寬。雖然目前換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)較低，但是其發(fā)射電流響應(yīng)達(dá)到174.8 dB，這是因?yàn)楫?dāng)前換能器體積過小，壓電陶瓷的阻抗較大造成的。因此換能器需要施加較高電壓才能驅(qū)動(dòng)。

圖10 換能器水下發(fā)射電壓、電流響應(yīng)測(cè)試結(jié)果Fig.10 The measured emission voltage,current response of transducer

表2給出了本文研制換能器發(fā)射性能與丹麥Reson公司出產(chǎn)的TC2084型高功率寬帶換能器的性能對(duì)比。通過對(duì)比可知，TC2084型換能器諧振頻率為33 kHz，發(fā)射電壓響應(yīng)為166 dB，-3 dB指向性開角為20°，根據(jù)活塞輻射的指向性公式可知粗略計(jì)算其輻射面半徑為130 mm。若將本文的換能器發(fā)射響應(yīng)折算成等面積的情況，則發(fā)射電壓響應(yīng)應(yīng)該增加38.9 dB，達(dá)到159 dB。相應(yīng)的聲源級(jí)在405 V電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)將可達(dá)到210 dB。再考慮輻射面積增加后所獲得的指向性增益，則發(fā)射響應(yīng)會(huì)進(jìn)一步提高。

表2 水聲換能器發(fā)射性能對(duì)比Tab.2 The comparison of underwater transducer launch performance

5 結(jié) 論

通過巧妙設(shè)計(jì)被動(dòng)相過渡層結(jié)構(gòu)，我們將壓電陶瓷的剪切振動(dòng)形式成果轉(zhuǎn)化為被動(dòng)相表面的厚度振動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在整體厚度為47.7 mm的情況下產(chǎn)生了約28 kHz的諧振，相比于應(yīng)用d33模態(tài)的壓電復(fù)合材料，其頻率常數(shù)較低，可以用較小的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻振動(dòng)。通過有限元分析軟件得出，當(dāng)使用如硬鋁等楊氏模量較高的材料作為過渡層材料時(shí)，剪切振動(dòng)與厚度振動(dòng)間的傳遞效果更好。對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將工作于d15模態(tài)的壓電陶瓷沿極化方向交替粘接，在接縫處直接連接被動(dòng)相過渡輻射層。實(shí)驗(yàn)研究表明簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)同樣達(dá)到將剪切振動(dòng)轉(zhuǎn)化為輻射面厚度振動(dòng)的目的。最后我們將簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)制作水下?lián)Q能器，測(cè)試結(jié)果表明在輻射面積為15 mm×40 mm時(shí)，在24～60 kHz平均發(fā)射電壓響應(yīng)可以達(dá)到120 dB。且可通過繼續(xù)增加振子數(shù)量，增大輻射面積從而有效提高發(fā)射電壓響應(yīng)及聲源級(jí)。該類型換能器的研發(fā)為低頻小尺寸發(fā)射換能器提供了新思路。