[实用新型]一种球形压电陶瓷复合材料结构及其换能器件

说明书

本专利涉及高频球形压电复合陶瓷结构，具体涉及一种球形压电陶瓷复合材料结构及其换能器件，球形压电陶瓷复合材料结构包括呈球形分布的多个压电陶瓷基元，每个压电陶瓷基元与其相邻压电陶瓷基元均匀间隔排列；每两个压电陶瓷基元之间通过高分子聚合物连接；其中，球形分布的多个压电陶瓷基元可以由球冠状压电复合材料和双曲面压电复合材料拼接而成；根据球形压电陶瓷复合材料结构和使用用途，可选用不同型号压电块体和不同的填充聚合物，球形压电陶瓷复合材料结构；也可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、压电陶瓷占比进行设计，可研制出高频全向换能器件，应用于水下成像声纳以及探测声纳时，可减小声呐的探测死角、增加探测精度及探测范围。

技术领域

本专利涉及一种高频球形压电复合陶瓷结构，尤其涉及一种应用于水下探测与成像用高频全向换能器用压电复合陶瓷结构。

背景技术

随着蛙人载具、UUV等小型水下装备的发展，舰艇及港口面临的水下威胁日益严峻。为防御上述小型目标的威胁，要求用于港口防御的声呐浮标装配高频、宽带、全向高性能的发射水声换能器。高频可实现对小目标的精细探测，提高探测精度和分辨率，减小声呐的探测死角、增加探测精度及探测范围。

球形压电陶瓷复合材料结构作为高频三维全向声学器件的核心敏感部件，是实现能量转化的关键器件。常用的敏感部件大多采用纯压电陶瓷材料或者压电陶瓷复合材料结构。采用纯压电陶瓷时，若制作成球状用于发射高频声波信号，由于多次谐频和模态耦合等因素，高频振动时模态杂散，导致工作频点处声波辐射效率极低；另一方面由于压电陶瓷的声阻抗远高于水或空气等常见介质的声阻抗，也会大幅降低声波振动传输效率。

目前二维曲面状压电陶瓷复合材料结构被广泛应用于水声换能器件、超声换能器件以及压力传感器件。为了满足高性能的高频三维全向换能器件研制要求，急需一种能够声辐射特性优异、工艺制作简单且结构稳定的球形压电陶瓷复合材料结构。

一般的球形压电陶瓷复合材料结构是直接采用两个纯压电陶瓷半球进行封装而成。该类材料由于声学阻抗低、制作工艺简单，可广泛被应用于高性能超声和水声器件的研发。例如专利CN102750941A以及CN106683656A等中采用的技术。

但该类压电陶瓷复合材料采用纯压电陶瓷时，由于压电陶瓷的声阻抗远高于水或空气等常见介质的声阻抗，导致声波振动传输效率极低，不能很好的应用于高频场景，使得其有效工作效率低下。

实用新型内容

基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种球形压电陶瓷复合材料结构及其换能器件。

一种球形压电陶瓷复合材料结构，所述球形压电陶瓷复合材料结构包括呈球形分布的多个压电陶瓷基元，每个压电陶瓷基元与其相邻压电陶瓷基元均匀间隔排列；每两个压电陶瓷基元之间通过高分子聚合物连接。

进一步的，所述呈球形分布的多个压电陶瓷基元至少包括由两个球冠状压电复合材料拼接而成。

进一步的，还包括至少两个双曲面状压电复合材料拼接而成。

进一步的，所述双曲面状压电复合材料和球冠状压电复合材料的型号均包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括PZT-41型，PZT-43型，PZT-5型，PZT-8型中任意一种或者多种型号复合。

进一步的，所述球形压电陶瓷复合材料结构中压电陶瓷基元的占比为30％～90％，球形的半径为10～100mm。

进一步的，所述压电陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm，每两个压电陶瓷基元之间的宽度为0.1mm～10mm。

进一步的，所述高分子聚合物包括环氧树脂或/和聚氨酯。