【摘 要】
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超声无损检测是利用不同介质对超声波作用的不同响应来进行探测和测量的技术手段。作为无损检测中应用最广泛的检测技术,超声无损检测已经在许多领域中发挥着重要作用。科技发展的趋势也对超声检测提出了更高要求,在检测工作中需要更高分辨率的超声检测设备。压电超声换能器作为超声无损检测设备中的核心器件,密切影响着超声检测的测量精度。具有更高灵敏度和大带宽的超声换能器是实现高精度超声检测设备的重要因素,这就对超声换
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超声无损检测是利用不同介质对超声波作用的不同响应来进行探测和测量的技术手段。作为无损检测中应用最广泛的检测技术,超声无损检测已经在许多领域中发挥着重要作用。科技发展的趋势也对超声检测提出了更高要求,在检测工作中需要更高分辨率的超声检测设备。压电超声换能器作为超声无损检测设备中的核心器件,密切影响着超声检测的测量精度。具有更高灵敏度和大带宽的超声换能器是实现高精度超声检测设备的重要因素,这就对超声换能器中压电材料的性能具有更高的要求。如今,超声换能器中常用的压电材料为PZT-5H压电陶瓷,其性能已经很难提高,需开发新的压电材料并应用于超声换能器。钐掺杂铌镁酸铅-钛酸铅（Sm-PMNT）压电陶瓷是近期研究发现的一种高压电性能的压电材料,其压电常数d33可高于1000 p C/N,是研制高性能压电超声换能器的优良材料。对Sm:PMN-30PT压电陶瓷的基本机电参数进行了测量,其压电常数d33可达到1065 p C/N,纵向机电耦合系数k33达到0.77。以环氧树脂-氧化铝复合物作为填充介质,采用切割-填充法制备了1-3型Sm:PMN-30PT压电复合材料。测得其压电常数d33为669 p C/N,厚度振动的机电耦合系数kt达到0.59。以环氧树脂作为基体,分别选择氧化铝、碳化硅和钨粉作为填料,采用离心法制备了不同填料比例的声匹配材料,并对声匹配材料的声阻抗、声速和声衰减系数的变化规律进行了研究。通过超声换能器结构设计,确定了压电振子的尺寸、匹配层和背衬的选材和声阻抗等参数,利用Piezo CAD软件对Sm:PMN-30PT压电复合超声换能器进行仿真,确定了匹配层和背衬的加入对换能器共振频率的影响。开展了Sm:PMN-30PT和PZT-5H压电复合超声换能器的仿真对比研究。分别采用Sm:PMN-30PT和PZT-5H压电复合材料作为压电振子,氧化铝/环氧树脂作为匹配层,钨粉-环氧树脂作为背衬,制作了两款超声换能器。对超声换能器的插入损耗和带宽进行了测量,发现Sm:PMN-30PT压电复合超声换能器的带宽可达113.2%,插入损耗为-14.2 d B,与PZT-5H压电复合超声换能器的插入损耗相比,降低了2.3 d B。
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