课题来源： 国家自然科学基金项目青年项目（51605100）：外力引导式化学刻蚀加工新方法制造皮升级微流体泵的基础研究，经费：20万 广东省“珠江人才计划”超声检测与监测创新团队项目(2016ZT06G375)：高端装备制造过程与在役的超声无损检测与监测技术研究与产业化，经费：1000万 国家自然科学基金项目面上项目（51975131）：无应力加工单晶复合材料菲涅尔阵超声显微镜换能器研究，经费：60万 国家自然科学基金项目青年项目（11804059）：基于超声辅助3D打印技术制备高性能压电换能器的关键问题研究，经费：24万 国家重大科学仪器设备开发专项（2013YQ230575）：新型超声相控阵仪器的开发与应用，经费：2157万 技术原理：超声换能器技术原理是基于压电材料的压电效应，当在压电材料上施以交变电压时，压电材料将按所施交变电压的频率而振动，向外发出声波。而当声波传至压电材料上，将引起压电材料的振动，当振动频率是在换能器的共振频率点时，作为接收用的换能器具有最大的接收灵敏度。传统超声无损检测换能器多为平面结构，根据发射换能器声场分布去检测工件缺陷，容易造成漏检、精度低等问题。本技术通过预置声场检测的换能器设计，研究异形异构超声换能器制造关键技术，解决高频换能器宽带与高灵敏度不能兼具的问题，突破异形异构换能器成型难度大、难以空间任意构形的局限。

    具体措施如下： 1、超声波在具有复杂外形和内部构造的结构中难以进行有效激励且传播规律复杂。为实现复杂工业零部件的超声精确检测和透颅后超声高精度成像与精准治疗，需要在这些复杂结构中准确预置特定声场。成果一研究发明了一种超声换能器阵列异形异构布局设计技术，建立了复杂结构中预置声场反演换能器空间构象的算法，获得换能器空间阵列布局的3D模型，为异形异构换能器的制造奠定了技术基础。 2、在高频超声换能器制造方面：高频超声阵列阵元数量多，单个阵元尺度微小，存在高灵敏度和宽带不能兼具的问题，给设计、材料和工艺等带来了新的挑战，是高频超声技术发展的瓶颈。成果二针对高频单晶提出了离子刻蚀与短脉冲激光宏微复合的加工方法，采用离子刻蚀实现了微结构的无损伤加工、短脉冲激光实现了任意构形的无（微）应力加工。所制造的高频单晶复合材料换能器阵列，其带宽与灵敏度同步大幅度提升。 3、3D打印技术具有成型速度快，成型过程不需要模具和机械加工，可以直接打印出几何形状复杂制件的优势。成果三攻克了异形异构超声换能器阵列的3D精密打印技术。解决了传统压电陶瓷成型技术难以空间任意构形的难题，发明了多材料高精度织构化的3D打印技术，研制了相关设备，实现了织构化压电超声换能器阵列的制造。

    主要技术创新点： 针对复杂部件的超声高精度检测，发明了超声换能器阵列异形异构布局的设计理论方法、高频单晶复合材料超声换能器无应力加工技术与多材料3D打印的超声换能器制造工艺等开展了系统性研究与应用，取得了如下创新成果： 1、发明了一种超声换能器阵列异形异构布局设计技术。建立了复杂结构中预置声场反演换能器空间构象的算法，获得换能器空间阵列布局的3D模型，为异形异构换能器的制造奠定了技术基础。2、突破了无（微）应力加工高频压电单晶复合材料技术。针对高频单晶提出了离子刻蚀与短脉冲激光宏微复合的加工方法，采用离子刻蚀实现了微结构的无损伤加工、短脉冲激光实现了任意构形的无（微）应力加工。实现了高频单晶复合材料换能器阵列无（微）应力加工，其带宽与灵敏度同步大幅度提升。3、攻克了异形异构超声换能器阵列的3D精密打印技术。解决了传统压电陶瓷成型技术难以空间任意构形的难题，发明了多材料高精度织构化的3D打印技术，研制了相关设备，实现了织构化压电超声换能器阵列的制造。

    主要技术性能指标： 1、无应力加工单晶复合材料菲涅尔超声阵列：采用无（微）应力工艺所制造的换能器中心频率较高（>40MHz），且宽带（>100%）与高灵敏度（≥-28dB）兼具。 2、3D打印异形异构超声换能器：成功研制钛酸钡凹面阵列和PZT二维面阵，性能良好。8阵元自聚焦钛酸钡凹面阵列中心频率为2MHz，带宽90%，钛酸钡陶瓷压电常数为166；二维面阵（8x8）中心频率为2.24MHz（无匹配层），带宽达到35%，PZT陶瓷压电常数为 345pC/N。

    综上所述，通过与国内外技术参数比较，本技术总体达到国际先进水平，其中超声换能器阵列异构异形布局设计及其加工技术处于国际领先。

    应用情况及存在的问题： 成果已批量用于航空合金液相扩散焊接件、航天大厚度高衰减复合材料、核燃料组件、高铁动车组轮轴等检测应用，支撑了国家重点工程建设，推动了我国超声换能器水平的大幅度提升，产生了显著的经济效益和社会效益。

    目前技术与应用模式已趋于成熟，可以向超声显微镜半导体封装、石油管道、铁路、航空航天、核电、医学（血管超声、眼科超声、皮肤超声、脑调控与刺激）等领域进行推广应用，市场应用前景广阔。当前，技术研发与实施人员、技术型销售人员仍然短缺，进一步深化产学研合作，加大人才队伍培养力度。