新型压电材料在低频水听器中的应用
新型压电材料在低频水听器中的应用
1、概述
海啸[39]是由海底地震、火山爆发或海底塌陷、滑坡等造成海底地壳的剧烈变化而造成海
水剧烈的起伏，形成巨大的海浪，向前推进，袭击沿海陆地，造成巨大的人员伤亡和财产损失
的一种不可控制的自然灾害。
虽然海啸的发生频率不高，但是在毫无预警的情况下，它所带来的灾害是几乎毁灭性的。
受海啸严重危害的国家，乃至全世界都迫切需要可行的预警系统来减轻海啸所带来的危害。
本文在借鉴国内外次声波传感器及水听器研究的最新成果，将新型压电材料
PVDF 应用到
低频水听器的设计中，实现对低频次声波信号的高精度检测，进而完成海岸预警，具有很大的
现实、经济以及科学意义。
2、PVDF 压电薄膜及其特性
PVDF 压电薄膜主要有 α型与 β型两种晶体结构。PVDF 以熔融状态即可得到 α型晶体，但
是α型晶体的压电性很小达不到要求，一般使用时都是先变换成 β型晶体。当把 PVDF 压电薄
膜拉伸或使其受外力作用后，薄膜中本身不具有压电性的 α型晶体结构就会转变成为 β型晶体
结构，由于来自 CF2 的永久双极子排列的方向相同，所以此种晶体结构是极性微晶。若将
PVDF 压电薄膜极化后，整个 PVDF 压电薄膜便产生了自发的极化性，在承受压力或形变时，
其极化面就会产生一定的电荷。PVDF 压电薄膜的两种晶体结构如图所示：
在PVDF 压电薄膜 β晶体结构中，因为 CF2 偶极子的朝向方向相同，分子的分子链在 b轴
方向呈平行排列，所以 β晶体结构具有很大的自发极化性，其单体的偶极矩是，自发极化性强
度Ps 是7.0×10-30Cm-2。因此 PVDF 压电薄膜 β晶体结构为极性晶体结构，当它受到极化作用
后，β晶体结构晶粒的 b轴方向将会沿极化方向取向，从而使得 PVDF 压电薄膜具有很强的压
电性[35]。而一般情况下，PVDF 是晶体与非晶体的混合物，而且结晶度一般在 50%左右。因
为α型晶体结构的能量最低，稳定性最好，所以型晶体结构是各类晶体结构中最好的结构。当
PVDF 材料由液态冷却形成 PVDF 薄膜时，PVDF 压电薄膜的晶体结构都为 α型晶体结构。由
于α型晶体结构能量最低以及它的内部各相间能量相差很小，所以在适当的条件下，型晶体结
构内部各相间可以相互转变。α型晶体经单轴拉伸可以转变为 β型晶体后，PVDF 材料就会有
更强的压电性。
压电聚合物可应用与多个领域，但是在水声换能器方面的应用最先实现，效果明显，形式
多样，今后仍有很广阔的前景。其优越性能概括如下：成型能力好，强度高，柔性好，可弯曲
成不同形状的器件；薄膜的机械强度高，振动模式简单，易加工成大面积的样品；薄膜具有韧
性，既耐冲击，又不易振裂；性能稳定，压电薄膜的性能不受湿度的影响；薄膜的特性阻抗比
较低，薄膜的密度为 1.78×103kg/m3，重量轻，有利于器件小型化，又便于布置；压电电压常
数（g常数）高，接受灵敏度较高；应用频率宽，在室温从准直流（0.03Hz）至500MHz 都可
应用且频响平坦，易制成宽带音频、超声、水声接收换能器。
3、PVDF 压电薄膜水听器的结构设计
根据对次声波信号的分析，为了使水听器具有很好的指向性，同时减少材料边缘衍射波和
水面反射波的干扰，可以对水听器的结构做加大处理，而这样由使得声波在水听器和材料板之
间发生了多次的反射。为了防止上述现象的发生，设计出的水听器要大面积型，且要有很好的
透声性。
在PVDF 压电薄膜水听器的设计应用中， PVDF 压电薄膜较为柔软，刚度达不到要求，为
了增加刚度，一般将薄膜粘接在背衬上；另外加上密封层是为了对薄膜其保护作用，多层的组
合加工成换能器。故通常设计出的PVDF 压电薄膜水听器是多层复合结构。
图3中的 PVDF 薄膜层是由两片PVDF 薄膜粘贴而成的，两片PVDF 薄膜的拉伸方向根据
需要可互相垂直，或互相平行。拉伸方向互相垂直的复合板近似横向各向同性，且有最小的压
摘要：
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新型压电材料在低频水听器中的应用 1、概述 海啸[39]是由海底地震、火山爆发或海底塌陷、滑坡等造成海底地壳的剧烈变化而造成海水剧烈的起伏，形成巨大的海浪，向前推进，袭击沿海陆地，造成巨大的人员伤亡和财产损失的一种不可控制的自然灾害。 虽然海啸的发生频率不高，但是在毫无预警的情况下，它所带来的灾害是几乎毁灭性的。受海啸严重危害的国家，乃至全世界都迫切需要可行的预警系统来减轻海啸所带来的危害。 本文在借鉴国内外次声波传感器及水听器研究的最新成果，将新型压电材料 PVDF应用到低频水听器的设计中，实现对低频次声波信号的高精度检测，进而完成海岸预警，具有很大的现实、经济以及科学意义。 2...
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作者：闻远设计
分类：其它行业资料
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