一種曲面壓電復(fù)合材料的制備方法及疊堆圓管換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種曲面壓電復(fù)合材料的制備方法以及疊堆圓管換能器。該制備方法包括：1）在第一方向?qū)弘娞沾蛇M(jìn)行切割；2）在切割縫隙內(nèi)澆注樹脂；3）在與第一方向垂直的第二方向進(jìn)行切割；4）在第二方向的切割縫隙內(nèi)填充柔性材料；5）對填充柔性材料后的復(fù)合材料片材進(jìn)行彎曲，形成曲面形狀；6）溶蝕第二方向的縫隙內(nèi)填充的柔性材料；7）在溶蝕后的第二方向的縫隙內(nèi)澆注樹脂，形成曲面形狀的壓電復(fù)合材料。該換能器的敏感元件包括若干疊堆的壓電圓管，壓電圓管采用上述曲面壓電復(fù)合材料。本發(fā)明能夠制備曲面狀（圓管或圓弧）的壓電復(fù)合材料，彌補了現(xiàn)行復(fù)合材料寬帶換能器波束開角有限的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶水平全向地輻射聲波。
【專利說明】一種曲面壓電復(fù)合材料的制備方法及疊堆圓管換能器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水聲換能器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種適用于水聲換能器的曲面壓電復(fù)合材料的制備方法，以及采用該曲面壓電復(fù)合材料的疊堆圓管換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]換能器是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置，通常所說的換能器是指電聲換能器，能實現(xiàn)電能與聲能之間的相互轉(zhuǎn)換，發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換成機械能，再轉(zhuǎn)換成聲能，用來發(fā)射聲波，接收換能器將聲能轉(zhuǎn)換成機械能，再轉(zhuǎn)換成電能，用來接收聲波。由于聲波是迄今人類所掌握的唯一能在浩瀚大海中遠(yuǎn)距離傳遞信息和能量的載體，因此目前水下探測、通訊、導(dǎo)航、測繪等主要依賴水下電聲換能器(又稱水聲換能器)。換能器基陣是將多個換能器排列組成陣列(收發(fā)均可)，以形成更大探測范圍和探測更遠(yuǎn)的距離。
[0003]隨著水聲技術(shù)迅速發(fā)展要求不斷的提高換能器的性能，主要聚焦于以下幾個方面:(1)降低換能器的工作頻率。頻率越低海水吸收衰減越小，換能器發(fā)射的聲波傳播距離越遠(yuǎn)。(2)拓展工作帶寬。工作頻帶寬可發(fā)射和接收更多的信息，并便于換能器基陣的信號處理。(3)提高發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度，以增加主動聲納的作用距離及微弱信號(如靜音潛艇)的探測能力。水聲探測中要求換能器發(fā)射/接收更多的信息，即一個換能器需要覆蓋更寬的工作頻段，從而減少換能器使用數(shù)量，另外換能器基陣的廣泛應(yīng)用，其信號處理不但要求換能器基元的一致性，還需要基元具有寬帶特性，因為寬帶信號相干處理，可使系統(tǒng)獲得更強的增益和更遠(yuǎn)的探測距離；寬帶信號脈沖壓縮，可提高換能器基陣的分辨率。因此換能器寬帶技術(shù)的研究突顯出越來越重要的地位。
[0004]傳統(tǒng)的寬帶換能器主要有復(fù)合材料換能器和多模耦合換能器。前者是采用陶瓷-聚合物復(fù)合材料制作的換能器，它通過降低復(fù)合材料元件的機械品質(zhì)因素(Qm)值來拓展帶寬。另一類多模耦合換能器，其拓寬頻帶的基礎(chǔ)是多模態(tài)耦合理論。隨著寬帶換能器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，進(jìn)一步拓展換能器工作頻帶的需求也日益增強，促使人們進(jìn)一步開發(fā)新的寬帶技術(shù)，繼而催生了多種新型復(fù)合材料換能器，如采用1-3型壓電復(fù)合材料等。
[0005]現(xiàn)有的換能器分別采用降低材料Qm值和多模振動耦合兩種方法拓寬頻帶寬度，近期出現(xiàn)的復(fù)合材料多模換能器，將兩種方法有機結(jié)合進(jìn)一步拓展了換能器的工作頻帶。但由于1-3型復(fù)合材料目前的制備工藝(切割陶瓷-澆注樹脂)難于曲面成型，造成現(xiàn)行的復(fù)合材料換能器均為面陣結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其輻射波束僅限于平面，開角較小，限制了換能器的探測范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述問題，提供一種曲面壓電復(fù)合材料的制備方法以及應(yīng)用該曲面壓電復(fù)合材料的疊堆圓管換能器，能夠制備曲面狀(圓管或圓弧)的壓電復(fù)合材料，實現(xiàn)高頻寬帶水平全向的輻射聲波，彌補現(xiàn)有復(fù)合材料寬帶換能器波束開角有限的缺陷。[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種曲面壓電復(fù)合材料的制備方法，其步驟包括:
[0009]I)在第一方向?qū)弘娞沾蛇M(jìn)行切割；
[0010]2)在第一方向的切割縫隙內(nèi)澆注樹脂；
[0011]3)在與第一方向垂直的第二方向?qū)沧渲蟮膲弘娞沾蛇M(jìn)行切割；
[0012]4)在第二方向的切割縫隙內(nèi)填充柔性材料，形成可彎曲的復(fù)合材料片材；
[0013]5)對填充柔性材料后的復(fù)合材料片材進(jìn)行彎曲，形成曲面形狀；
[0014]6)對第二方向填充的柔性材料進(jìn)行溶蝕；
[0015]7)在溶蝕后的第二方向的縫隙內(nèi)澆注樹脂，形成曲面形狀的壓電復(fù)合材料。
[0016]進(jìn)一步地，步驟2)、步驟7)所述樹脂為環(huán)氧樹脂，還可以采用聚氨酯等材料；步驟
4)所述柔性材料為橡膠材料。
[0017]進(jìn)一步地，步驟5)應(yīng)用模具對填充橡膠的復(fù)合材料進(jìn)行彎曲，曲面形狀為圓弧或圓管；步驟7)在二次澆注環(huán)氧樹脂后進(jìn)行脫模。
[0018]進(jìn)一步地，在步驟7)之后還包括制備電極的步驟。
[0019]一種疊堆圓管換能器，其敏感元件包括若干疊堆的壓電圓管，所述壓電圓管采用上述曲面壓電復(fù)合材料。
[0020]進(jìn)一步地，所述若干疊堆的壓電圓管的外徑相同，內(nèi)徑不同，各壓電圓管同軸疊堆。
[0021]進(jìn)一步地，所述疊堆圓管換能器還包括支架、蓋板、電極引線、防水透聲殼層和輸出電纜；支架貫穿疊堆的各壓電圓管，與兩端的蓋板共同對疊堆的壓電圓管進(jìn)行固定和定位；疊堆的壓電圓管的電極并聯(lián)，其電極引線與輸出電纜連接；防水透聲層封于整個換能器外部。
[0022]進(jìn)一步地，所述蓋板和與其接觸的壓電圓管之間設(shè)有墊圈，所述疊堆的壓電圓管之間設(shè)有墊圈。
[0023]進(jìn)一步地，所述防水透聲層的材料為聚氨酯橡膠。
[0024]本發(fā)明采用填充橡膠一成型弧面一溶蝕橡膠一燒注樹脂的新工藝，即在切割陶瓷陣列中填充柔性橡膠，使其易于彎曲并通過模具成形圓管(弧)面，其次溶蝕橡膠，再澆注環(huán)氧樹脂固化成型曲面復(fù)合材料圓管(弧)；進(jìn)而采用不同厚度的復(fù)合材料圓管同軸疊堆制成新型疊堆圓管振動元件。由于各復(fù)合材料圓管的厚度不同，圓管的厚度振動頻率不等，合理設(shè)計圓管間的厚度之差，可使疊堆圓管產(chǎn)生多諧振動耦合，進(jìn)而拓展元件的帶寬。本發(fā)明的疊堆圓管換能器彌補了現(xiàn)行復(fù)合材料寬帶換能器波束開角有限的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶水平全向地輻射聲波。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是現(xiàn)有的壓電復(fù)合材料的切割-澆注工藝流程示意圖，其中:a為X方向切割，b為y方向切割，c為灌注環(huán)氧，d為磨片被電極。
[0026]圖2是本發(fā)明的壓電復(fù)合材料的曲面成型工藝流程圖。
[0027]圖3是與圖2對應(yīng)的壓電復(fù)合材料的曲面成型工藝示意圖。
[0028]圖4是本發(fā)明的多諧復(fù)合材料圓柱換能器結(jié)構(gòu)示意圖，其中:1_疊堆圓管敏感元件，2-橡膠墊圈，3-支架，4-墊圈，5-端蓋，6-電極引線，7-防水透聲層，8-電纜。
[0029]圖5是本發(fā)明的曲面復(fù)合材料疊堆圓管敏感元件示意圖。
[0030]圖6是本發(fā)明的復(fù)合材料疊堆圓管敏感元件及其單管的電導(dǎo)頻譜圖。
[0031]圖7是本發(fā)明的疊堆圓管在水中的導(dǎo)納頻譜圖。
【具體實施方式】
[0032]下面通過具體實施例和附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0033]實施例1:制備復(fù)合材料曲面(圓管或圓弧)陣列
[0034]曲面狀復(fù)合材料是擴(kuò)展換能器波束開角的關(guān)鍵，也是現(xiàn)行復(fù)合材料制備的難點。本實施例采用的壓電復(fù)合材料為1-3型復(fù)合材料，首先說明復(fù)合材料圓管的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，然后說明該材料制備曲面(圓管或圓弧)陣列的具體制備步驟。
[0035](1)建立復(fù)合材料圓管設(shè)計模型——振動頻率與圓管厚度的關(guān)系
[0036]壓電元件厚度振動的頻率方程為
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種曲面壓電復(fù)合材料的制備方法，其步驟包括: 1)在第一方向?qū)弘娞沾蛇M(jìn)行切割； 2)在第一方向的切割縫隙內(nèi)澆注樹脂； 3)在與第一方向垂直的第二方向?qū)沧渲蟮膲弘娞沾蛇M(jìn)行切割； 4)在第二方向的切割縫隙內(nèi)填充柔性材料，形成可彎曲的復(fù)合材料片材； 5)對填充柔性材料后的復(fù)合材料片材進(jìn)行彎曲,形成曲面形狀； 6)對第二方向填充的柔性材料進(jìn)行溶蝕； 7 )在溶蝕后的第二方向的縫隙內(nèi)澆注樹脂，形成曲面形狀的壓電復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟5)應(yīng)用模具對填充橡膠的復(fù)合材料進(jìn)行彎曲，曲面形狀為圓弧或圓管；步驟7)在澆注環(huán)氧樹脂后進(jìn)行脫模。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述樹脂為環(huán)氧樹脂或聚氨酯，所述柔性材料為橡膠材料。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述切割縫隙的寬度為0.2?0.7mm。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:在步驟7)之后還包括制備電極的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的方法制備的曲面壓電復(fù)合材料。
7.—種疊堆圓管換能器，其特征在于，其敏感元件包括若干疊堆的壓電圓管，所述壓電圓管采用權(quán)利要求1?5中任一項所述的方法制備的曲面壓電復(fù)合材料。
8.如權(quán)利要求7所述的疊堆圓管換能器，其特征在于:所述若干疊堆的壓電圓管的外徑相同，內(nèi)徑不同，各壓電圓管同軸疊堆。
9.如權(quán)利要求7或8所述的疊堆圓管換能器，其特征在于:還包括支架、蓋板、電極引線、防水透聲殼層和輸出電纜；支架貫穿疊堆的各壓電圓管，與兩端的蓋板共同對疊堆的壓電圓管進(jìn)行固定和定位；疊堆的壓電圓管的電極并聯(lián)，其電極引線與輸出電纜連接；防水透聲殼層封于整個換能器外部。
10.如權(quán)利要求9所述的疊堆圓管換能器，其特征在于:所述蓋板和與其接觸的壓電圓管之間，以及疊堆的各壓電圓管之間設(shè)有墊圈；所述防水透聲殼層的材料為聚氨酯橡膠。
【文檔編號】H01L41/113GK103824934SQ201410085486
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】王麗坤, 秦雷, 張彬, 仲超 申請人:北京信息科技大學(xué)