實驗名稱：空氣復合材料振動狀態測試

研究方向：隨著信息化、智能化科技需求的不斷提升，壓電陶瓷發展也進入了新紀元。壓電復合材料的出現強有力地推動了醫療超聲、水聲換能器、魚雷探測器等技術領域的發展。其中，1-3型壓電復合材料因具有聲阻抗低、密度低和機電特性高等優勢而被研究者廣泛關注。3－2型陶瓷－空氣壓電復合材料是一種具有特殊結構的壓電材料，由壓電陶瓷和空氣按一定連通方式、體積質量比及空間分布組合而成。這種復合材料結合了壓電陶瓷的優良壓電性能和空氣的輕質特性，從而呈現出獨特的物理和電氣性能。由于壓電陶瓷的引入，復合材料具有較高的機電耦合系數，能夠實現高效的機械能與電能之間的轉換。空氣作為復合材料的組成部分，使得整體材料的聲阻抗較低，有利于聲波的傳播和接收。通過調整壓電陶瓷和空氣的分布、比例等參數，可以設計出具有不同性能的復合材料，以滿足不同的應用需求。

實驗目的：驗證3-2型陶瓷－空氣復合材料具有比1-3型壓電復合材料更好的壓電特性為后續實驗做論證和鋪墊。

測試設備：ATA-4315高壓功率放大器、信號發生器、示波器、激光測振儀等。

實驗過程：首先由函數發生器激發頻率范圍為100kHz~400kHz的激勵信號通過ATA-4315高壓功率放大器放大施加在陶瓷兩端，觀察3-2型壓電復合材料的厚度振動模態。測振儀實時刷新振幅、速度、加速度隨時間的變化狀態，同時進行快速傅里葉變換，自動捕獲頻譜尖峰信息，示波器監測陶瓷兩端電壓變化，其實驗原理框圖如圖1-1。

圖1-1：3-2型陶瓷壓電特性研究實驗框圖

實驗結果：由圖1-2可見，在陶瓷體積占比相同的前提下，3-2型陶瓷－空氣復合材料共振頻率為190kHz，高于1-3型壓電復合材料共振頻率162kHz。這是因為3-2型壓電材料無聚合物環氧樹脂的約束，壓電小柱做自由振動，振動頻率高于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、負離子在電場力作用下會發生相對位移，導致晶體內部產生內應力，最終使晶片發生宏觀形變。晶體表面出現的電荷由圖1-2可見，在陶瓷體積占比相同的前提下，3-2型陶瓷－空氣復合材料共振頻率為190kHz，高于1-3型壓電復合材料共振頻率162kHz。這是因為3-2型壓電材料無聚合物環氧樹脂的約束，壓電小柱做自由振動，振動頻率高于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、負離子在電場力作用下會發生相對位移，導致晶體內部產生內應力，最終使晶片發生宏觀形變，晶體表面出現的電荷。

圖1-2：Z方向振動位移對比圖

功率放大器推薦：ATA-4315

圖：ATA-4315高壓功率放大器指標參數

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審核編輯 黃宇