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海洋换能器材料设计

各种海洋换能器对压电单晶复合材料功能的标准有差异,但同一材料难以同时实现所有指标的优化,为了充分发挥压电单晶复合材料的性能优势,应根据换能器的具体应用要求修改压电单晶复合材料的结构和性能。

为了提高材料的设计效率,降低实验成本和时间,快速准确地确定压电单晶复合材料中压电相和聚合物相的两相材料特性、体积分数、长宽比等参数的选择,本文基于均匀场理论、混合规律、串并行理论和有限元理论,提出了一种结合分析模型和数值模型的设计方法。

首先,利用解析模型明确了压电单晶复合材料的宏观等效性能参数与体积分数的定量关系。 然后根据水声变换器的具体应用要求,在选择合适的体积分数基础上,用数值法建立相应体积分数的压电单晶复合材料有限元模型,着重研究压电单晶柱宽高比复合材料综合性能的影响,获得科学结构参数, 两者的有效结合能够快速准确地完成压电单晶相和聚合物相两相材料的材料特性、体积分数和结构参数的选择,通过实验验证了该方法的有效性和准确性。

采用分析法的主要优点在于,采用压电单晶相的成分、切割型、极化方向与聚合物相的杨氏模量、泊松比等能够迅速且灵活地调整两相材料的特性的数值法。主要优点在于,采用复合材料的形状(例如平面状、曲面状、球冠状、弧状)、单晶柱的排列方式(例如与传统材料性能决定器件性能的方式不同,该综合设计方法完成了指导器件性能的压电单晶复合材料的结构和性能的设计,实现了从材料被动选择到主动赋予能量,对面向海洋换能器的压电单晶复合材料的设置开发与生产、应用具有重要意义。