面向全海深应用的压电复合材料水听器性能优化研究

针对深海环境下压电复合材料水听器的压力耐受性问题，研究人员通过建立静态平衡模型和有限元分析，揭示了聚合物弹性模量与界面剪切应力、应力放大效应的关联性。结果表明，采用高杨氏模量聚合物的面板压电复合材料能平衡接收电压灵敏度（RVS）与界面稳定性，为深海声学探测设备设计提供了理论依据。

　　

随着全球深海探索的持续推进，水下声学设备的性能要求日益严苛。压电复合材料水听器因其优异的接收电压灵敏度（RVS）和厚度振动模式，成为深海探测的核心元件。然而，在从近海到超深渊（hadal zone）的工作环境中，压电陶瓷柱与聚合物基体间巨大的杨氏模量差异（相差2-5个数量级）导致界面剪切应力剧增，可能引发压电柱断裂或界面剥离失效。哈尔滨工程大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表的研究，通过理论建模与数值模拟相结合，系统解决了这一关键技术瓶颈。

研究采用静态平衡模型解析2-2型压电复合材料在单轴/静水压力下的应力传递机制，并建立1-3型复合材料的有限元模型。关键方法包括：1）构建一维位移场模型量化界面剪切应力；2）通过有限元分析模拟方形压电柱的应力分布；3）对比不同聚合物弹性模量（环氧树脂与硅橡胶）对RVS的影响；4）引入面板结构优化应力传递路径。

静态平衡模型揭示应力放大机制
通过2-2型复合材料模型发现，聚合物与面板会共同产生应力放大效应，其强度取决于聚合物弹性模量、面板刚度及压电相体积分数。当采用低模量硅橡胶时，界面剪切应力较环氧树脂增加37%，但RVS提升21%。

1-3型复合材料有限元验证
数值模拟显示，面板结构可使压电柱轴向应力放大1.8倍，但同时导致界面剪切应力峰值出现在柱体中部。当工作深度超过6500米时，硅橡胶基体复合材料的界面应力会超过临界剥离强度。

性能预测与设计准则
研究提出修正的RVS计算公式：g₃₃t需乘以应力放大系数β。高模量聚合物（如改性环氧树脂）在8000米深度下，既能保持RVS>?180 dB，又能将界面应力控制在20 MPa安全阈值内。

该研究首次量化了深海压力环境下压电复合材料的失效边界，提出“高模量聚合物+面板”的优化设计策略。这不仅解决了传统柔性复合材料在深渊环境的应用限制，还为下一代全海深声学传感器提供了可量化的材料选择标准。作者Chunying Wang团队强调，未来需结合原位应变监测技术（如光纤传感）进一步验证模型的动态可靠性。