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海洋换能器材料研究

海洋换能器是潜艇、水面舰艇、鱼雷等水声装备实现水下导航与通信、水下目标探测与识别和水声对抗的核心器件,压电材料是水声变换器的重要材料,直接影响和制约了水声变换器技术的发展。压电单晶复合材料作为下一代压电智能材料具有压电常数高、机电耦合系数高等优点,可以显著提高换能器的带宽、灵敏度、分辨率等指标。

不同换能器对压电单晶复合材料的性能需求存在差异,但同一材料难以同时实现所有指标的优化,因此为了充分发挥压电单晶复合材料的性能优势,需要根据水声换能器的具体应用需求。

为了提高材料的设计效率,降低实验成本和时间,迅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、混合定律、串并联理论及有限元理论提出了一种设计方法:解析模型与数值模型相结合。

首先,利用分析模型明确建立了压电单晶复合材料的宏观等效性能参数和体积分数的定量关系。 然后,针对水声变换器的具体应用要求,在选择合理体积分数的基础上,采用数值法建立了相应体积分数的压电单晶复合材料有限元模型,重点研究了压电单晶柱宽高比复合材料综合性能的影响,得到了合理结构参数通过实验验证了该方法的有效性和正确性。

海洋换能器采用解析法的主要优点是可以迅速且灵活地调整压电单晶相的成分、剪切型、极化方向和聚合物相的杨氏模量、泊松比等二相材料的特性。采用数值法的主要优点是可以广泛研究复合材料的形状(例如平面状、曲面状、球冠状、弧状)、单晶柱的排列方式(例如不均匀、不规则的排列)和结构参数(长宽比)对压电单晶复合材料综合性能的影响与根据以往的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,实现了被动选择材料并主动赋予。