研究背景：
压电式超声换能器具有安全、无创、非电离、实时成像等特点，利用压电材料可以实现电能与声能的相互转换，广泛应用于工业无损检测、医学深层组织扫描成像和局部空化、水下探测和导航等重要应用领域，以及人体内能量传输、压电超声波催化等新兴的研究领域。
在水声换能器方面，自上个世纪70年代由美国宾州州立大学R.E. Newnham和L.E. Cross教授提出了压电陶瓷单元（压电相）与聚合物（基体相）复合、以及两相联通的概念，如1-3、2-2、0-3复合联通等，压电复合材料因其优异的水声优值系数、良好的压力稳定性和声阻抗匹配性能，已经成为现代水声超声换能器的基础，广泛应用于各种水下探测。过去50年来，尽管压电陶瓷的压电性能有了较大提升，以及涌现出具有更优异压电性能的压电单晶材料，但是传统的由单一压电单元和聚合物复合构成的1-3型 （包括2-2型）压电复合材料的结构特征一直没有改变。这使得基于1-3型压电复合材料的超声换能器在器件水声性能方面的进一步提升遇到了瓶颈。例如，1-3型压电单晶复合超声换能器，因其压电单晶柱本身的横向振动模态、以及压电单元周期性结构引起的横向振动模态耦合等，常常削弱了水声换能器的性能。因此，提出新的设计策略，发展新型结构压电复合材料和突破传统复合材料性能提升的极限，已经变得非常迫切。
研究内容：
近日，北京大学董蜀湘教授团队、北京理工大学洪家旺教授团队，基于超构材料单元序构的思想，开创性的提出了一种新颖的 (1A, 1B) -3 型单晶复合超声换能器。研究团队将一种具有高压电系数d33和机电耦合系数kt的方形截面晶柱单元（称为1A）和一种具有高静水压水声优值（HFOM）的矩形截面晶柱单元（称为1B），在环氧树脂中进行交替有序排列，再通过两种不同压电单元在复合材料中的结合效应和协同作用，显著提高了水声超声换能器在静压工作模式下的水声灵敏度和工作带宽，并对不良横向振动模式产生了明显抑制作用。图1显示了性能各异、不同压电单元的交替、有序排列，构造新颖的（1A, 1B）-3型单晶复合超声换能器的概念示意图。制备获得的新型(1A, 1B) -3压电复合材料的静水压水声优值dhgh高达4084.9 × 10−15 m2 N−1，分别比商用单晶和陶瓷1-3压电复合材料高约177.3%和400%。实验结果进一步验证了基于(1A, 1B) -3复合材料的压电超声换能器的性能增强，包括-3 dB的240 kHz发射带宽和-3 dB的180 kHz接收带宽，以及响应入射声波的输出电压增加；与传统结构的1-3单晶复合材料压电超声换能器相比，相应的增幅分别为71.4%、28.6%和26.6%。
此外，根据超构材料单元序构的思想，还可以设计更复杂的压电复合材料，例如 (1A,1B，…1K) -3压电复合材料，以实现所需的功能和/或获得更卓越的水声性能。这项工作证明，利用不同压电单元的各向异性、结合效应和协同作用，来设计新型超声换能器、进一步提升水声性能，是一种更为有效的策略。该工作也为下一代单晶压电复合材料和宽带、高灵敏度超声换能器的研究，提供了新的发展方向，具有指导意义。
该成果发表在《Advanced Functional Materials》，题目为“A High-Sensitivity, Broadband (1A,1B)-3 Single-Crystal Composite Ultrasonic Transducer”。该成果第一作者是北京理工大学博士生雷宇，董蜀湘教授、洪家旺教授为该论文通讯作者。该研究工作获得了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202417084
