研究背景：
壓電式超聲換能器具有安全、無創(chuàng)、非電離、實(shí)時(shí)成像等特點(diǎn)，利用壓電材料可以實(shí)現(xiàn)電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測、醫(yī)學(xué)深層組織掃描成像和局部空化、水下探測和導(dǎo)航等重要應(yīng)用領(lǐng)域，以及人體內(nèi)能量傳輸、壓電超聲波催化等新興的研究領(lǐng)域。
在水聲換能器方面，自上個(gè)世紀(jì)70年代由美國賓州州立大學(xué)R.E. Newnham和L.E. Cross教授提出了壓電陶瓷單元（壓電相）與聚合物（基體相）復(fù)合、以及兩相聯(lián)通的概念，如1-3、2-2、0-3復(fù)合聯(lián)通等，壓電復(fù)合材料因其優(yōu)異的水聲優(yōu)值系數(shù)、良好的壓力穩(wěn)定性和聲阻抗匹配性能，已經(jīng)成為現(xiàn)代水聲超聲換能器的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于各種水下探測。過去50年來，盡管壓電陶瓷的壓電性能有了較大提升，以及涌現(xiàn)出具有更優(yōu)異壓電性能的壓電單晶材料，但是傳統(tǒng)的由單一壓電單元和聚合物復(fù)合構(gòu)成的1-3型 （包括2-2型）壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征一直沒有改變。這使得基于1-3型壓電復(fù)合材料的超聲換能器在器件水聲性能方面的進(jìn)一步提升遇到了瓶頸。例如，1-3型壓電單晶復(fù)合超聲換能器，因其壓電單晶柱本身的橫向振動模態(tài)、以及壓電單元周期性結(jié)構(gòu)引起的橫向振動模態(tài)耦合等，常常削弱了水聲換能器的性能。因此，提出新的設(shè)計(jì)策略，發(fā)展新型結(jié)構(gòu)壓電復(fù)合材料和突破傳統(tǒng)復(fù)合材料性能提升的極限，已經(jīng)變得非常迫切。
研究內(nèi)容：
近日，北京大學(xué)董蜀湘教授團(tuán)隊(duì)、北京理工大學(xué)洪家旺教授團(tuán)隊(duì)，基于超構(gòu)材料單元序構(gòu)的思想，開創(chuàng)性的提出了一種新穎的 (1A, 1B) -3 型單晶復(fù)合超聲換能器。研究團(tuán)隊(duì)將一種具有高壓電系數(shù)d33和機(jī)電耦合系數(shù)kt的方形截面晶柱單元（稱為1A）和一種具有高靜水壓水聲優(yōu)值（HFOM）的矩形截面晶柱單元（稱為1B），在環(huán)氧樹脂中進(jìn)行交替有序排列，再通過兩種不同壓電單元在復(fù)合材料中的結(jié)合效應(yīng)和協(xié)同作用，顯著提高了水聲超聲換能器在靜壓工作模式下的水聲靈敏度和工作帶寬，并對不良橫向振動模式產(chǎn)生了明顯抑制作用。圖1顯示了性能各異、不同壓電單元的交替、有序排列，構(gòu)造新穎的（1A, 1B）-3型單晶復(fù)合超聲換能器的概念示意圖。制備獲得的新型(1A, 1B) -3壓電復(fù)合材料的靜水壓水聲優(yōu)值dhgh高達(dá)4084.9 × 10?15 m2 N?1，分別比商用單晶和陶瓷1-3壓電復(fù)合材料高約177.3%和400%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了基于(1A, 1B) -3復(fù)合材料的壓電超聲換能器的性能增強(qiáng)，包括-3 dB的240 kHz發(fā)射帶寬和-3 dB的180 kHz接收帶寬，以及響應(yīng)入射聲波的輸出電壓增加；與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1-3單晶復(fù)合材料壓電超聲換能器相比，相應(yīng)的增幅分別為71.4%、28.6%和26.6%。
此外，根據(jù)超構(gòu)材料單元序構(gòu)的思想，還可以設(shè)計(jì)更復(fù)雜的壓電復(fù)合材料，例如 (1A,1B，…1K) -3壓電復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)所需的功能和/或獲得更卓越的水聲性能。這項(xiàng)工作證明，利用不同壓電單元的各向異性、結(jié)合效應(yīng)和協(xié)同作用，來設(shè)計(jì)新型超聲換能器、進(jìn)一步提升水聲性能，是一種更為有效的策略。該工作也為下一代單晶壓電復(fù)合材料和寬帶、高靈敏度超聲換能器的研究，提供了新的發(fā)展方向，具有指導(dǎo)意義。
該成果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，題目為“A High-Sensitivity, Broadband (1A,1B)-3 Single-Crystal Composite Ultrasonic Transducer”。該成果第一作者是北京理工大學(xué)博士生雷宇，董蜀湘教授、洪家旺教授為該論文通訊作者。該研究工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202417084
