摘要
球形换能器因其机械结构简单、外形易成阵和全指向性等一系列突出优点被广泛应用于水声领域。压电陶瓷球作为球形换能器的核心功能元件，目前均为陶瓷半球采用环氧树脂粘接而成。环氧树脂在物理、化学性能方面与压电陶瓷存在巨大差异，导致压电陶瓷半球间的环氧树脂粘接界面存在质脆、耐热性能不足、机械性能差及不具备与压电陶瓷球一致的电学性能的问题。球形换能器在大功率长时间下工作时，因环氧树脂粘接界面较差的热学及力学稳定性，造成压电陶瓷半球在界面处脱粘，进而导致球形换能器失效。 针对以上问题，本文设计了无机界面结合剂组成体系，探讨了适用于压电陶瓷的低温烧结工艺，并对粘接界面的力学及电学性能进行了系统研究。主要研究内容如下： 系统研究了玻璃粉粒度与其软化温度的关系，阐明了不同分散剂及含量对界面结合剂粘接效果的影响，构筑了低温烧结界面结合剂体系。结果表明：随着玻璃粉粒度由6.0μm减小至2.5μm及以下时，三种玻璃粉的软化温度均呈现明显下降趋势，降低幅值达126℃及以上。以松油醇为分散剂时，界面结合剂的粘度及压电陶瓷界面粘接强度均优于以无水乙醇和PVA水溶液为分散剂时的效果。随着固液比mPZT+玻璃粉/m松油醇的增大，界面结合剂粘度逐渐增大，当固液比为2:1时PZT颗粒和玻璃粉可在松油醇中形成均匀分散，此时界面结合剂粘度达到最优，其值为520mPa·s。 研究了不同组分界面结合剂及烧结制度对压电陶瓷粘接性能的影响，系统分析了界面结合剂对粘接后的压电陶瓷的电学及力学性能。结果表明：烧结温度为750℃，PZT颗粒含量为10wt%时，界面结合剂在压电陶瓷间形成均匀致密的界面层，此时所得压电陶瓷的压电系数为223pC/N，抗弯强度为74.89MPa，相比以环氧树脂粘接所得压电陶瓷分别提高了46.13%和1.04倍。随着老化时间延长和温度升高，以环氧树脂粘接所得压电陶瓷的电学性能大幅降低，当温度升高至230℃时，环氧树脂失效，压电陶瓷粘接界面开裂；而采用界面结合剂制备的压电陶瓷的压电系数仅降低了9.0%，表现出良好的时间和温度稳定性。 利用界面结合剂制备了压电陶瓷球，并进一步封装制备了球形压电换能器，研究了不同粘接界面对球形换能器电学性能的影响。结果表明：与环氧树脂粘接所得压电陶瓷球及球形换能器相比，利用界面结合剂制得的压电陶瓷球的电导值增大了0.01S，相应换能器的带宽增大了1.10kHz，且粘接界面与压电陶瓷形成的连续一致振动使得换能器具有单一谐振峰值，表现出更优的机电耦合性能。
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