基于CNT yarn-PDMS复合材料的光致超声换能器研究

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凭借安全便捷、价格低廉、实时性好等优点,医学超声技术在临床诊断与治疗中一直备受青睐并发挥重要作用。超声技术的核心是超声换能器,目前医学中使用最为广泛的是压电超声换能器,它是电驱动器件,通过材料的压电及逆压电效应实现超声的产生及接收。压电超声换能器作为有源器件,驱动电压高,受限于电连接难以小型化。光致超声换能器是目前国际上的研究热点,光致超声换能器属于光驱动器件,依靠脉冲激光照射光致超声材料产生超声信号。光致超声材料由有机无机材料复合而成,无机材料负责吸光,将光转化为热,有机材料负责热膨胀,将热转化成声。光致超声换能器具有体积小、频带宽,器件之间无串扰的特点,对比于压电换能器易于实现器件的微型化和阵列化。然而,目前光致超声换能器的存在的问题是光致超声材料的光声转化效率较低。针对其光声转化效率低的问题,本文着力于研制一种具有高光声转化效率的光致超声换能器。通过改变材料结构,提高光声转化效率,有效的增加输出声压。在CNT yarn-PDMS材料结构基础上,添加Gold Nanoparticles(AuNP),形成了CNT yarn-AuNP-PDMS光致超声换能器。这种结构基于以下两个方面实现了高的光声转化效率:通过AuNP局域等离子体共振效应(LSPR)增加光吸收;结合CNT yarn实现使用PDMS作为柔性背衬,提高输出声压。测试表明这种方法制备的光致超声换能器在激光脉冲作用下,峰值声压达到了33.6MPa,光声转化效率高达2.74×10-2。本文基于热声耦合理论,建立了仿真模型,通过仿真得到的声压值与实验结果基本吻合;接着,还利用COMSOL软件模拟了界面处的温度变化,从光电发射过程出发,解释了AuNP对光吸收作用增强的微观机理;最后,实现了CNT yarn-AuNP-PDMS光致超声换能器产生的声压对微粒的操控,为药物传送等应用打下了基础。
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