一種壓電複合材料及其製備方法
2023-09-20 01:34:40
專利名稱：一種壓電複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及壓電複合材料，尤其涉及的是，一種多層壓電複合材料及其製備方法。
背景技術：
超聲換能器被廣泛地應用於生物醫學圖像、診斷和治療，工業無損檢測(探傷)以及水下聲納等方面。超聲換能器通常採用具有壓電效應的壓電材料，能夠將機械能轉換為電能，或者將電能轉換為機械能。壓電超聲換能器可以採用單層或多層的形式方式。多層壓電超聲換能器採用相鄰層的極化方向相反，各層之間通過機械結構串聯和電路結構並聯的方式組合而成。與同樣厚度的單層結構相比，多層壓電超聲換能器具有與層數的平方成比例降低的阻抗，在給定的電激勵信號條件下具有與層數成比例增加的機械響應輸出，同時，通過改變多層結構的各層厚度，多層壓電超聲換能器具有更寬的頻率帶寬響應。
通常被廣泛應用於超聲換能器的壓電晶體材料，包括壓電陶瓷和壓電單晶等材料具有高機電耦合係數和介電常數，可以有效地將電能和機械能互相轉換，也容易與相關的系統電路進行電子匹配。然而，壓電晶體材料同時具有的很高的聲學阻抗，往往很難與人體組織、水和空氣等低聲學阻抗的媒質很好地匹配。壓電複合材料將壓電晶體材料和聚合物材料以一定的體積或重量比例和一定的空間結構分布複合起來，形成兼具壓電晶體材料高壓電性能和聚合物材料低聲學阻抗的優點的新型材料。壓電複合材料壓電性能非常均勻，聲學阻抗很低，重量輕，能夠製成曲型結構。壓電複合材料的超聲換能器具有很高的機電轉換效率，很寬的頻率帶寬，高靈敏度和信噪比。
壓電複合材料中壓電晶體和聚合物的不同組合方式，決定著其不同的特性。在壓電晶體和聚合物組合比例給定的條件下，它們的空間組合結構決定著壓電複合材料的性能。根據Newnhan的定義，壓電複合材料可以按照壓電晶體材料和聚合物的連通方式進行分類。「連通性」的基本思想是混合物中任何相在零維、一維、二維或三維方向上是相互連通的，因而任意彌散和孤立顆粒的連通性為0，而包圍它們的介質在三維方向上是連通的。若混合物是由兩種不同的「平板」相堆積而成的，則體系的連通性可認為是2-2。通常由兩相組成的混合物可能有10種連通方式，包括0-0，1-0，2-0，3-0，1-1，2-1，3-1，2-2，3-2，3-3。
被廣泛應用的典型的壓電複合材料是1-3型。1-3型複合材料由被聚合物材料包圍的若干個柱型壓電晶體單元組成，1-3型壓電複合材料是由一維連通的壓電相平行排列於三維連通的聚合物中形成的，該材料中的壓電晶體材料只在一維連通，聚合物材料則是三維連通。1-3型複合材料具有極低的側向振動模式和較高的機電耦合係數。
然而，在製造多層超聲換能器的過程中，採用典型的1-3型壓電複合材料會遇到相鄰層的相互對位的問題。相鄰層相互對位不準確的問題常常會極大影響多層超聲換能器的性能，降低換能器的機電耦合係數以及輸出信號幅度，同時帶來其它多餘的不需要的振動模式。由於多層結構的超聲換能器的各層通常是分別加工，因此在加工多層超聲換能器的過程中保持相鄰層的整體準確對位並同時保證在各層中間的壓電晶體柱狀結構與相鄰層中間的壓電晶體柱狀結構準確對位是非常困難的。
因此，現有技術存在缺陷，需要改進。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是由於多層1-3型壓電複合材料的結構缺陷，導致在製造過程中，相鄰層相互對位不準確的問題 本發明的技術方案如下 一種壓電複合材料，其包括壓電材料和填充物；其中，其包括至少兩層壓電材料，其中，根據各層壓電材料的極性，相鄰層壓電材料反向設置；各層壓電材料三維連通設置，所述填充物一維連通設置；在所述壓電複合材料的各工作面，分別設置工作面電極；在平行於所述壓電複合材料工作面的截面中，所述壓電材料以規則條形組合的形式連通設置，所述填充物隔離設置。
所述的壓電複合材料，其中，各層壓電材料的相鄰面分別設置相鄰面電極。
所述的壓電複合材料，其中，分別在各層壓電材料所述相鄰面的側面，設置與該層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極。
所述的壓電複合材料，其中，所述規則條形組合中，所述規則條形至少包括以下形狀其中之一矩形、橢圓形、三角形、弧形；所述組合至少包括以下形狀其中之一C形、I形、N形、S形、U形、V形。
所述的壓電複合材料，其中，所述工作面至少包括以下形狀其中之一圓形、橢圓形、三角形、平行四邊形。
所述的壓電複合材料，其中，各層壓電材料形狀相同，粘接設置，合計佔總體積的15％至85％。
一種壓電複合材料的製備方法，其包括以下步驟A1、對於至少兩層壓電材料，根據各層壓電材料的極性，反向連通設置相鄰層壓電材料；A2、在壓電材料的極化方向，切割貫通各層壓電材料的至少兩個填充槽，以形成採用規則條形組合形式連通的壓電材料；A3、在各填充槽中設置填充物；A4、在所述壓電複合材料的各工作面，分別設置工作面電極。
所述的製備方法，其中，步驟A1中，通過在各層壓電材料的相鄰面分別設置相鄰面電極，反向連通設置相鄰層壓電材料；並且，步驟A1還包括以下步驟分別在各層壓電材料所述相鄰面的側面，設置與該層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極。
所述的製備方法，其中，所述填充物具有粘性；並且，步驟A1中，採用粘接物粘接設置相鄰層壓電材料；步驟A4之前，還執行以下步驟在不大於兩萬帕的低氣壓環境中，對所述壓電複合材料進行除氣處理。
所述的製備方法，其中，步驟A3具體包括以下步驟將所述壓電複合材料放在澆築模具中，將所述填充物倒入所述澆築模具，直至充滿各填充槽。
採用上述方案，本發明提出了一種新型結構的易於加工的多層3-1型壓電複合材料，取代1-3型壓電複合材料，可用於製造多層超聲換能器或傳感器等，避免和解決了相鄰層相互對位不準確的問題。本發明產品的加工工藝簡單，對壓電單晶切割的方向只有兩個方向，節約了加工時間和成本。
圖1至圖9分別為本發明各種實施方式的壓電複合材料工作面的截面示意圖； 圖10為本發明的一種實施方式的兩層壓電材料示意圖； 圖11為圖10所示實施方式的相鄰面電極和側面電極示意圖； 圖12為圖10所示實施方式的相鄰層壓電材料連通設置示意圖； 圖13為圖10所示實施方式切割效果示意圖； 圖14為圖13所示實施方式採用澆築模具倒入填充物效果示意圖； 圖15為圖14所示實施方式得到的成型材料示意圖； 圖16為圖15所示實施方式得到的壓電複合材料示意圖。
具體實施例方式 以下結合附圖和具體實施例，對本發明進行詳細說明。
本發明針對採用1-3型壓電複合材料的多層超聲換能器在製造過程中，相鄰層的相互對位的問題，提出一種新型結構的更加易於加工的多層3-1型壓電複合材料；採用此壓電複合材料，可以取代1-3型壓電複合材料，製造多層超聲換能器，避免和解決了相鄰層的相互對位的問題。
本發明提供了一種3-1型多層壓電複合材料，包括多層由三維連通的壓電晶體材料根據相鄰層極性相對的方式，切割後形成的框架和黏度不大於80Pas(8000centipoise，即8000釐泊)的低黏度的環氧樹脂粘接劑組合的壓電複合材料。本發明的多層壓電複合材料中，各層厚度可以相同也可以不相同；並且，各層壓電晶體材料可以相同，也可以不同，只要相鄰層壓電晶體材料極化方向相反即可。
切割後的壓電晶體材料框架壁厚應不大於整個3-1型壓電複合材料厚度的三分之一。壓電材料可以包括壓電單晶，即壓電石英晶體和其他壓電單晶；壓電陶瓷；壓電半導體和有機高分子壓電材料等等。
如圖10所示，本發明提供了一種壓電複合材料，其包括至少兩層壓電材料；在圖10所示的實施例中，該壓電複合材料僅包括兩層壓電材料第一層壓電材料101和第二層壓電材料102。
根據各層壓電材料的極性，即根據各層壓電材料的極化方向，相鄰層壓電材料反向設置；如圖16所示，第一層壓電材料101的極化方向201向下，則第二層壓電材料102的極化方向202向上；並且，在所述壓電複合材料的各工作面，分別設置工作面電極203。
各層壓電材料三維連通設置，所述填充物一維連通設置；也就是形成一個3-1型的壓電複合材料。在平行於所述壓電複合材料工作面的截面中，所述壓電材料以規則條形組合的形式連通設置，所述填充物隔離設置。
例如，所述規則條形組合中，所述規則條形至少包括以下形狀其中之一矩形、橢圓形、三角形、弧形；當然也可以是上述圖形的組合。所述形狀應予以最大範圍的解釋，例如所述矩形包括了圓角矩形，以及由三角形組合得到的平行四邊形等等。
又如，所述組合至少包括以下形狀其中之一C形、I形、N形、S形、U形、V形，由此組合派生可得到A形、B形、D形、E形、F形、G形、H形、J形、K形、L形、M形、O形、P形、Q形、R形、T形、W形、X形、Y形、Z形；以及A形、B形、C形、D形、E形、F形、G形、H形、I形、J形、K形、L形、M形、N形、O形、P形、Q形、R形、S形、T形、U形、V形、W形、X形、Y形、Z形；以及A形、B形、C形、D形、E形、F形、G形、H形、I形、J形、K形、L形、M形、N形、O形、P形、Q形、R形、S形、T形、U形、V形、W形、X形、Y形、Z形；以及七字形、十字形、山字形、木字形等等。
例如，本發明的9種實施方式的平行於該壓電複合材料工作面的任一截面分別如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示，分別是9種實施方式的平行於該壓電複合材料工作面的任一截面示意圖，這樣，對於平行於該壓電複合材料工作面的任一截面，所述壓電複合材料都是連通的。需要說明的是，圖1至圖9所示實施方式僅是本發明的部分實施方式，具體實施時，可以在符合所述壓電材料以規則條形組合的形式連通設置的基礎上，根據圖1至圖9加以改進或變換。
所述的壓電複合材料中，所述工作面至少包括以下形狀其中之一圓形、橢圓形、三角形、平行四邊形；當然也可以是上述圖形的組合，例如梯形、五邊形、六邊形、正七邊形等等，平行四邊形包括了菱形、矩形和正方形。
如圖11所示，所述的壓電複合材料中，各層壓電材料的相鄰面分別設置相鄰面電極104。之後，還可以分別在各層壓電材料所述相鄰面的側面，設置與該層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極105，以及在其相鄰層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極106。需要說明的是，側面電極105和側面電極106可大可小，位置不限，只需能夠實現從側面引出相鄰面電極即可。
所述的壓電複合材料中，各層壓電材料形狀相同，粘接設置，全部壓電材料合計佔總體積的15％至85％。
並且，本發明還提供了一種壓電複合材料的製備方法，其包括以下步驟。
A1、對於至少兩層壓電材料，根據各層壓電材料的極性，反向連通設置相鄰層壓電材料。
例如，在步驟A1中，通過在各層壓電材料的相鄰面分別設置相鄰面電極，反向連通設置相鄰層壓電材料；並且，步驟A1還包括以下步驟分別在各層壓電材料所述相鄰面的側面，設置與該層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極。
A2、在壓電材料的極化方向，切割貫通各層壓電材料的至少兩個填充槽，以形成採用規則條形組合形式連通的壓電材料。
其中，所述規則條形組合中，所述規則條形至少包括以下形狀其中之一矩形、橢圓形、三角形、弧形；當然也可以是上述圖形的組合。
又如，所述組合至少包括以下形狀其中之一C形、I形、N形、S形、U形、V形，由此組合派生可得到各種形狀。
所述工作面至少包括以下形狀其中之一圓形、橢圓形、三角形、平行四邊形；當然也可以是上述圖形的組合。
所述規則條形、所述組合、所述工作面具體同上所述。
A3、在各填充槽中設置填充物。本發明不限制具體的填充物和填充方法，只需能夠應用在本領域的填充物和填充方法即可。
例如，步驟A3具體包括以下步驟將所述壓電複合材料放在澆築模具中，將所述填充物倒入所述澆築模具，直至充滿各填充槽。
A4、在所述壓電複合材料的各工作面，分別設置工作面電極。
在步驟A1中，可以採用粘接物粘接設置相鄰層壓電材料；即將相鄰的兩層壓電材料用粘接物粘起來；並且，在步驟A4之前，還需執行以下步驟在不大於兩萬帕的低氣壓環境中，對所述壓電複合材料進行除氣處理。
需要說明的是，粘接劑與上述填充物可以相同，也可以不相同，例如，可以採用具有粘性的填充物；則在步驟A1中，採用所述填充物粘接設置相鄰層壓電材料；並且，在步驟A4之前，還執行以下步驟在不大於兩萬帕的低氣壓環境中，對所述壓電複合材料進行除氣處理。
例如，低黏度的環氧樹脂粘接劑的真空或低氣壓除氣可以在倒入澆築模具之前進行，也可以在倒入澆築模具之後進行。
下面再給出一個具體的實例，說明採用切割-填充法製備本發明的3-1型兩層壓電複合材料的步驟。
1)兩塊準備加工的壓電晶體，如圖10所示，即第一層壓電材料101和第二層壓電材料102。如圖11所示，在兩塊準備加工的壓電晶體的粘接面上，製備導電電極，即相鄰面電極104，並將相鄰面電極104延伸至壓電晶體的側面，如圖11所示，也可以是分別設置第一層壓電材料101相連接的側面電極105，以及在其相鄰層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極106。
這一步，是在兩塊準備加工的壓電晶體的粘接面上製備導電電極，並將電極延伸至壓電晶體的側面，即在側面設置一個用於接電的接口，更具體地說，是用於外接導線的導電區域，從而引入激勵電信號或引出響應電信號；相鄰面電極和側面電極，可以通過在壓電複合材料的上下兩個表面，塗刷導電金屬漿體材料，或者粘接導電固體金屬層，或者採用物理或者化學的方法形成導電薄膜或厚膜來製備。
2)如圖12所示，採用低黏度的環氧樹脂粘接劑，將兩塊準備加工的壓電晶體按相反的極化方向粘接在一起；並由低黏度的環氧樹脂粘接劑保證粘接層厚度儘量薄，一般低於100微米，更好的是，低於10微米。此例採用環氧樹脂作為填充物，本發明並不限制填充物的使用。
3)如圖13所示，沿著垂直於壓電晶體極化的方向，切割出供澆築環氧樹脂的、沿壓電晶體材料極化方向切割貫通的若干個槽；可以橫著切，也可以豎著切，本發明對此不作外限制；最後得到切割好的壓電晶體100。
這一步，使用切割工具，選取垂直於壓電晶體極化的一個方向對壓電晶體進行切割，切割在該方向不完全貫通壓電晶體，切割在沿壓電晶體極化的方向完全貫穿。這樣，就可以得到三維連通的壓電晶體100。
4)如圖14所示，將切割好的壓電晶體置於澆築模具200中；一般選擇由不與所使用的環氧樹脂固化後發生強烈粘黏的材料製成的澆築模具，這些材料可以是聚四氟乙烯等。
這樣，該澆築模具與所使用的固化後的環氧樹脂不發生強烈的粘黏，從而使其與成型的壓電複合材料能夠不發生破損，順利分離。
5)配置好低黏度的環氧樹脂粘接劑210。例如，將低黏度的環氧樹脂粘接劑各部分按照使用說明的配比進行配置，並均勻攪拌。
6)如圖14所示，將配置好的低黏度的環氧樹脂粘接劑210倒入澆築模具中，並對環氧樹脂粘接劑在不大於20kPa的低氣壓環境中進行除氣處理；最好是在真空中進行除氣處理；除氣處理直到沒有氣泡溢出為止。如圖15所示，得到成型的材料110。
成型後的3-1壓電複合材料毛坯與澆築模具脫離後，可以進一步地進行切割、打磨、加工和其他處理。
7)如圖16所示，待環氧樹脂粘接劑固化後，在複合材料上下兩層表面上製備導電電極，即工作面電極203。工作面電極203可以通過在壓電複合材料的上下兩個表面，塗刷導電金屬漿體材料、或者粘接導電固體金屬層、或者採用物理或者化學的方法，形成導電薄膜或厚膜來製備。
低黏度的環氧樹脂粘接劑在常溫下的固化時間採取使用說明的指示，本發明對此不作限制。
綜上所述，本發明提出了一種新型的3-1型多層壓電複合材料結構方式，取代1-3型壓電複合材料，可用於製造多層超聲換能器，還可用於製造其它設備，例如傳感器等。應用於多層超聲換能器的3-1型壓電複合材料的工作面(側面)可以是圓形、橢圓形，也可以是正方形、矩形、平行四邊形，可以應用於單體超聲換能器，也可應用於超聲換能器陣列。採用上述結構，本發明的3-1型壓電多層壓電複合材料具有較高機電能量轉換效率、較低的密度和聲學阻抗。同時易於加工，只需要對壓電晶體材料進行兩個方向的切割。並且能夠保證多層壓電複合材料各層中間的壓電晶體單元與相鄰層中間的壓電晶體單元準確對位，避免了由於相鄰層的相互對位不準確，所造成的超聲換能器的輸出信號下降，以及引入另外不需要的振動模式的問題。
本發明所應用的領域為工業無損檢測，生物醫學成像、診斷和治療，以及水下聲吶技術等；更具體的說，本發明能夠應用於金屬或非金屬材料和試件的缺陷探測、幾何尺寸測量、以及材料機械特性的線性和非線性變化表徵；本發明所製造的超聲換能器能夠應用於生物組織或器官的線性或非線性聲學特性表徵。
本發明在加工藝上簡單，避免和解決了相鄰層的相互對位的問題；對壓電單晶切割的方向只有兩個方向，節約了加工時間和成本；並且為新的3-1型壓電複合材料的結構提供了新的思路。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1、一種壓電複合材料，其包括壓電材料和填充物；其特徵在於，其包括至少兩層壓電材料，其中，
根據各層壓電材料的極性，相鄰層壓電材料反向設置；
各層壓電材料三維連通設置，所述填充物一維連通設置；
在所述壓電複合材料的各工作面，分別設置工作面電極；
在平行於所述壓電複合材料工作面的截面中，所述壓電材料以規則條形組合的形式連通設置，所述填充物隔離設置。
2、根據權利要求1所述的壓電複合材料，其特徵在於，各層壓電材料的相鄰面分別設置相鄰面電極。
3、根據權利要求2所述的壓電複合材料，其特徵在於，分別在各層壓電材料所述相鄰面的側面，設置與該層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極。
4、根據權利要求1所述的壓電複合材料，其特徵在於，所述規則條形組合中，所述規則條形至少包括以下形狀其中之一矩形、橢圓形、三角形、弧形；所述組合至少包括以下形狀其中之一C形、I形、N形、S形、U形、V形。
5、根據權利要求1所述的壓電複合材料，其特徵在於，所述工作面至少包括以下形狀其中之一圓形、橢圓形、三角形、平行四邊形。
6、根據權利要求1所述的壓電複合材料，其特徵在於，各層壓電材料形狀相同，粘接設置，合計佔總體積的15％至85％。
7、一種壓電複合材料的製備方法，其包括以下步驟
A1、對於至少兩層壓電材料，根據各層壓電材料的極性，反向連通設置相鄰層壓電材料；
A2、在壓電材料的極化方向，切割貫通各層壓電材料的至少兩個填充槽，以形成採用規則條形組合形式連通的壓電材料；
A3、在各填充槽中設置填充物；
A4、在所述壓電複合材料的各工作面，分別設置工作面電極。
8、根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，步驟A1中，通過在各層壓電材料的相鄰面分別設置相鄰面電極，反向連通設置相鄰層壓電材料；並且，步驟A1還包括以下步驟分別在各層壓電材料所述相鄰面的側面，設置與該層壓電材料的相鄰面電極相連接的側面電極。
9、根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，所述填充物具有粘性；
並且，步驟A1中，採用粘接物粘接設置相鄰層壓電材料；
步驟A4之前，還執行以下步驟在不大於兩萬帕的低氣壓環境中，對所述壓電複合材料進行除氣處理。
10、根據權利要求7所述的製備方法，其特徵在於，步驟A3具體包括以下步驟將所述壓電複合材料放在澆築模具中，將所述填充物倒入所述澆築模具，直至充滿各填充槽。
全文摘要
本發明公開了一種壓電複合材料及其製備方法，該壓電複合材料包括填充物和至少兩層壓電材料，根據各層壓電材料的極性，相鄰層壓電材料反向設置；各層壓電材料三維連通設置，所述填充物一維連通設置；在所述壓電複合材料的各工作面，分別設置工作面電極；在平行於所述壓電複合材料工作面的截面中，所述壓電材料以規則條形組合的形式連通設置，所述填充物隔離設置。本發明產品可用於製造多層超聲換能器或傳感器等，避免和解決了相鄰層相互對位不準確的問題，並且，加工工藝簡單，對壓電單晶切割的方向只有兩個方向，節約了加工時間和成本。
文檔編號H01L41/22GK101304067SQ20081006778
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月11日 優先權日2008年6月11日
發明者吳正斌, 沙 黃, 徐國卿 申請人:深圳先進技術研究院