1浙江理工大学机械工程学院，浙江杭州
2嘉兴南湖学院机电工程学院，浙江嘉兴
3桐乡清锋科技(嘉兴)有限公司，浙江嘉兴
收稿日期：2023年4月6日；录用日期：2023年5月24日；发布日期：2023年5月31日
摘要
本文采用BNT(钛酸铋钠)无铅压电陶瓷材料，设计出一种用于外科手术的超声刀换能器，并使用有限元软件对于PZT(锆钛酸铅)超声换能器和无铅压电陶瓷换能器进行模态仿真和谐响应分析，得出超声换能器工作时的最佳谐振频率以及各阶模态，获得最佳振幅并进行对比参照。进行无铅压电陶瓷超声刀换能器的设计，与有铅超声刀模拟仿真分析比较，得出超声换能器工作时的最佳谐振频率和最大位移振幅。同时对无铅压电陶瓷加工工艺和微观结构进行观察，并对无铅压电陶瓷换能器组装并测试装配预载荷对于谐振频率的影响，测试两种压电陶瓷材料换能器的性能，为无铅压电陶瓷超声刀的应用提供了进一步的发展和优化空间。
关键词
超声刀，无铅压电陶瓷，有限元，模拟仿真
SimulationandExperimentofLead-FreePiezoelectricCeramicUltrasonicKnife
JunhuiLu1,MeipengZhong2,ChaofengWu3
1SchoolofMechanicalEngineering,ZhejiangSci-TechUniversity,HangzhouZhejiang
2SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,JiaxingNanhuUniversity,JiaxingZhejiang
3TongxiangQingfengTechnologyCo.,Ltd.,JiaxingZhejiang
Received:Apr.6th,2023;accepted:May24th,2023;published:May31st,2023
ABSTRACT
Keywords:UltrasonicKnife,Lead-FreePiezoelectricCeramic,Finite,Simulation
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
微创手术的主要工具是超声刀，主要应用于切割组织和血管闭合等操作，它不仅高效、操作灵活、功能多样，还具有愈合效果较好、伤疤小等治疗特点，并且在手术操作过程中产生的烟雾小，因此超声刀已经越来越成为国内外学者研究的热点[1]。超声手术刀是由于超声波产生的强大瞬时冲击加速度、微声流及声空化的共同作用分离组织[2]。超声手术刀切割组织，是超声波能量产生的高频振动使得组织细胞蛋白质分子氢链断裂，凝固后将组织切开[3]。超声刀的工作原理是利用超声波发生器实现电信号和高频振荡信号的转换，再由换能器将高频振荡信号转换为高频机械信号产生高频机械振动，然后经过变幅杆的作用把振幅放大，最后把机械振动传递到连接变幅杆的超声刀部分，进而通过接触作用于生物组织以实现组织切除和血管止血的功能[4][5]。
压电陶瓷由于其对电压输入的快速响应、高刚度和大输出力方面的优异性能，是超声手术刀换能器的杰出候选者。超声压电转换器可以基于逆压电效应将高频超声振荡信号转换为机械振动[9]。压电换能器由于其简单的制造和组装过程、更大的能量输出以及更小的重量和体积，已广泛应用于水声和医疗领域。超声换能器是在超声频率范围内将电信号转换为声信号的能量换能器[10]。
综合上述的研究，本文依据换能器理论设计一种用于超声刀的夹心式超声换能器，采用无铅压电陶瓷装配并利用有限元软件进行分析，获取振幅大小等参数来改进超声换能器工作频率并用实验进行验证。
2.超声换能器原理及结构设计
2.1.超声换能器工作原理
Figure1.Structuraldrawingofultrasonictransducer
2.2.超声换能器结构设计
将换能器看作是一个变截面棒，它是由均匀的，各向同性材料组成的。不考虑材料的机械损耗，换能器各个截面分布的应力都是相同的。换能器中的位移可以用轴线上的坐标表示。此时截面上各质点做同相振动[11]。
Figure2.Schematicdiagramoflongitudinalvibrationofvariablecross-sectiontransduce
Figure3.Three-dimensionaldimensionsofultrasonictransducers
3.超声换能器有限元分析
Figure4.Simplifiedassemblymode
3.1.各部件材料的确定
Table1.Materialparameters
3.2.建模与模态仿真
根据设计好的尺寸建立三维模型装配体，在ANSYS有限元分析软件中进行模态分析，其步骤如下：
3)划分网格(选择1mm单元划分)；
4)分析类别(Model)，频率(50,000Hz~60,000Hz)，阶数(6阶)；
5)求解。
Figure5.Ultrasonictransducergriddivisiondiagram
(a)纵向振动模态(b)扭转振动模态
Figure6.ModalanalysisresultsofPZTtransducer
(c)纵向振动模态(d)弯曲振动模态
Figure7.ModalanalysisresultsofBNTtransducer
3.3.谐响应分析
Figure8.Displacementfrequencyresponsecurveoftransducer
根据换能器位移频率响应曲线可知，在U=5V电压下，PZT换能器在谐振频率为54.6kHz达到最大位移振幅17.3μm，无铅压电陶瓷换能器则在55.6kHz时达到最大位移振幅37.4μm，均满足预期的结果，且无铅压电陶瓷达到的效果更好，更接近实际测试的谐振频率。
4.无铅压电陶瓷加工工艺及性能表征
4.1.压电陶瓷制备及加工工艺
将排胶后的生坯在1070℃下烧结5h形成陶瓷片。陶瓷片在丝印台上进行刷银将刷好银的陶瓷片放在烧结炉中730℃下烧结3h，保温十分钟。使用外圆和平面磨床将陶瓷片加工到指定尺寸。将烧银完成后的陶瓷片放入极化仪中，设置极化温度80℃，在8kV电压下极化15min，使陶瓷片内部电畴定向排列，使其具有压电性能。
Figure9.Processflowoflead-freepiezoelectricceramicprocessing
4.2.压电陶瓷微观结构表征
Figure10.SEMimagesofthesurfaceandcross-sectionoflead-freepiezoelectricceramicsg
5.超声刀组装与换能器实验
Figure11.Physicaldiagramandcomponentdiagramoftransducerassembly
Figure12.Theinfluenceofassemblypreloadonresonancefrequencyandimpedance
Figure13.Frequencyimpedancecurvesofdifferentpiezoelectricceramictransducers
Table2.Comparisonofexperimentalparametersfordifferenttransducers
6.结论
根据理论设计得到的超声换能器三维尺寸，利用ANSYSWorkbench软件对设计好的超声换能器进行模态分析和谐响应分析，为了环境保护和可持续发展，对于压电陶瓷材料方面，分别采用PZT压电陶瓷和无铅压电陶瓷材料进行仿真，对无铅压电陶瓷材料加工工艺和微观表征进行观察，并进行样品的制备与装配测试得到以下结论：
1)通过超声换能器设计获得其装配体模型，基于ANSYS有限元仿真得到PZT换能器和BNT换能器谐振频率和最大位移振幅符合超声刀的预期。
2)对无铅压电陶瓷加工工艺以及微观表征观察，可以看出无铅压电陶瓷具有较好的致密度且无铅压电陶瓷材料价格相对便宜，对环境无污染，为无铅压电陶瓷超声刀的应用提供了借鉴和基础。
3)通过实验测试结果可知，该无铅压电陶瓷换能器和PZT换能器具有相似的谐振频率和机械品质因数，通过实验测试了装配预载荷对超声刀换能器谐振频率和阻抗的影响，符合超声刀的实际工作频率和设计要求，表明了无铅压电陶瓷也可以作为超声换能器的零部件之一。
综上所述，本研究目前完成了对于超声换能器的结构设计，有限元仿真模拟，无铅压电陶瓷材料加工工艺以及实验测试，表明了无铅压电陶瓷可以作为超声刀换能器的替代材料，为无铅压电陶瓷超声刀的应用提供了进一步的发展和优化空间。