實(shí)驗(yàn)名稱：空氣復(fù)合材料振動(dòng)狀態(tài)測(cè)試

研究方向：隨著信息化、智能化科技需求的不斷提升，壓電陶瓷發(fā)展也進(jìn)入了新紀(jì)元。壓電復(fù)合材料的出現(xiàn)強(qiáng)有力地推動(dòng)了醫(yī)療超聲、水聲換能器、魚(yú)雷探測(cè)器等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。其中，1-3型壓電復(fù)合材料因具有聲阻抗低、密度低和機(jī)電特性高等優(yōu)勢(shì)而被研究者廣泛關(guān)注。3－2型陶瓷－空氣壓電復(fù)合材料是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的壓電材料，由壓電陶瓷和空氣按一定連通方式、體積質(zhì)量比及空間分布組合而成。這種復(fù)合材料結(jié)合了壓電陶瓷的優(yōu)良?jí)弘娦阅芎涂諝獾妮p質(zhì)特性，從而呈現(xiàn)出獨(dú)特的物理和電氣性能。由于壓電陶瓷的引入，復(fù)合材料具有較高的機(jī)電耦合系數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換。空氣作為復(fù)合材料的組成部分，使得整體材料的聲阻抗較低，有利于聲波的傳播和接收。通過(guò)調(diào)整壓電陶瓷和空氣的分布、比例等參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出具有不同性能的復(fù)合材料，以滿足不同的應(yīng)用需求。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證3-2型陶瓷－空氣復(fù)合材料具有比1-3型壓電復(fù)合材料更好的壓電特性為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做論證和鋪墊。

測(cè)試設(shè)備：ATA-4315高壓功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、激光測(cè)振儀等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先由函數(shù)發(fā)生器激發(fā)頻率范圍為100kHz~400kHz的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)ATA-4315高壓功率放大器放大施加在陶瓷兩端，觀察3-2型壓電復(fù)合材料的厚度振動(dòng)模態(tài)。測(cè)振儀實(shí)時(shí)刷新振幅、速度、加速度隨時(shí)間的變化狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行快速傅里葉變換，自動(dòng)捕獲頻譜尖峰信息，示波器監(jiān)測(cè)陶瓷兩端電壓變化，其實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖1-1。

圖1-1：3-2型陶瓷壓電特性研究實(shí)驗(yàn)框圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：由圖1-2可見(jiàn)，在陶瓷體積占比相同的前提下，3-2型陶瓷－空氣復(fù)合材料共振頻率為190kHz，高于1-3型壓電復(fù)合材料共振頻率162kHz。這是因?yàn)?-2型壓電材料無(wú)聚合物環(huán)氧樹(shù)脂的約束，壓電小柱做自由振動(dòng)，振動(dòng)頻率高于1-3型壓電振子。在共振頻率下3-2型壓電振子的位移是3.840nm，大于1-3型的2.857nm。由于正、負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致晶體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終使晶片發(fā)生宏觀形變。晶體表面出現(xiàn)的電荷由圖1-2可見(jiàn)，在陶瓷體積占比相同的前提下，3-2型陶瓷－空氣復(fù)合材料共振頻率為190kHz，高于1-3型壓電復(fù)合材料共振頻率162kHz。這是因?yàn)?-2型壓電材料無(wú)聚合物環(huán)氧樹(shù)脂的約束，壓電小柱做自由振動(dòng)，振動(dòng)頻率高于1-3型壓電振子。在共振頻率下，3-2型壓電振子的位移是3.940nm，大于1-3型的2.857nm。由于正、負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，導(dǎo)致晶體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終使晶片發(fā)生宏觀形變，晶體表面出現(xiàn)的電荷。

圖1-2：Z方向振動(dòng)位移對(duì)比圖

功率放大器推薦：ATA-4315

圖：ATA-4315高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇