宽带换能器的压电复合材料

摘要

本发明公开了一种宽带换能器的压电复合材料，属于压电材料技术领域。该压电复合材料包括压电晶体和聚合物，压电晶体分为上、下两部分，其中，压电晶体的上部结构为均匀排列的多个压电晶柱，压电晶体的下部结构为一压电基底，所述压电晶柱的高度呈周期性差异，使得压电基底厚度不均匀，聚合物填充在压电晶柱之间，压电晶柱及压电基底的极化方向沿着压电复合材料的厚度方向。由于每个压电晶柱的谐振频率不同，通过改变压电晶柱间的高度，增加了压电复合材料的宽带。本发明压电复合材料的Q值可以达到10以下，适用于宽带换能器的制备。

说明书

技术领域

本发明是关于压电材料及其器件技术，具体涉及到一种用于水声、超声探测的宽带换能器的压电复合材料。

背景技术

压电复合材料主要应用于水声换能器和超声换能器两个方面。水声换能器是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的关键器件。水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。超声换能器主要用于医疗超声成像、无损检测等方面，原理与水声换能器相同，只是应用的频率比水声换能器高。

目前常用的通过压电效应制作的换能器主要采用以下几种敏感材料：压电单晶、锆钛酸铅压电陶瓷以及压电复合材料。其中压电陶瓷和压电单晶由于Q值较高，并不适合制备宽带换能器，而压电复合材料虽然在Q值上有一定的降低，但是仍然不能满足现在水声换能器领域的需求。为此，申请人于2004年研发了一种基于串并联压电复合材料的器件(专利200410009179.3)，该器件采用的材料是在传统1-3型压电复合材料基础上并联了一个压电基底，使得复合材料结构在横向和纵向都有压电陶瓷骨架的支撑。兼有并联和串联压电复合材料的特点，性能稳定，在受热和外力冲击下不易变形，制作工艺简单，且由于该压电复合材料引入了聚合物相，使得复合材料的损耗增加，从而在一定程度上降低了Q值，但是，该压电复合材料的Q值仍在10以上，不能实现制备宽带换能器。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种用于制备宽带换能器的压电复合材料。

本发明的技术方案是：

一种宽带换能器的压电复合材料，包括压电晶体和聚合物，压电晶体分为上、下两部分，其中，上部结构为均匀排列的多个压电晶柱，下部结构为一压电基底，所述压电晶柱的高度呈周期性差异，使得压电基底厚度不均匀，聚合物填充在所述压电晶柱之间，所述压电晶柱及压电基底的极化方向沿着压电复合材料的厚度方向。

压电晶柱的高度差异具有线性分布或高斯分布规律。

每个压电晶柱的垂直于水平面的四个侧面的面积不相同。

晶柱的边长为0.3～5mm，每片晶柱的高度为0.5～15mm，相邻两个晶柱的高度不同，成周期性空间分布，每个周期内呈线性分布、高斯分布等，晶柱间的差值为0.1～5mm。

上述聚合物可以选择环氧树脂、聚氨酯、硅橡胶等粘接剂，聚合物固化后宽度为0.2～2mm。填充物可以根据不同的需求选择金属粉末或小颗粒、真空玻璃微球，其直径小于0.1mm，便于均匀添加于聚合物中并且能够灌注到切割形成的刀槽内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在申请人的专利(基于串并联压电复合材料的器件)基础上，通过改变压电晶柱间的高度差，既保持了压电体本身的高发射电压响应，大的机电耦合系数(60-70％)，同时，由于每个压电晶柱的谐振频率不同，增加了压电复合材料的宽带，本发明压电复合材料的Q值可以达到10以下，适用于制备宽带换能器。

附图说明

图1是本发明宽带压电复合材料结构示意图；

其中，1—压电晶柱；2—压电基底；3—聚合物；4—电极；

图2是宽带压电复合材料中一个压电晶柱单元结构示意图；

图3是二级参差调谐效应示意图；

图4是本发明实施例的试验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参考图1，本发明压电复合材料的压电晶柱均匀排列于压电基底之上，相邻的晶柱之间，填充有聚合物，而聚合物内又有填充物用来调节聚合物的性能；压电晶柱及压电基底的极化方向沿着复合材料的厚度方向；上、下电极由易焊接金属经沉积或烧结制成，上、下电极分别位于宽带压电复合材料的上下表面，构成宽带换能器压电元件。本发明压电复合材料中，在平行和垂直于极化方向均有硬质压电陶瓷支撑，且每个周期内的压电晶柱的高度具有线性分布或高斯分布规律，造成压电晶柱高度不同，压电基底厚度也不均匀，压电复合材料的厚度振动谐振频率的带宽较宽、机械Q值较小，一般可达到10以下。

本发明压电复合材料的压电晶柱的平行于z方向的四个侧面分别与聚合物相接触，采用了特殊切割工艺，四个接触面面积各不相同。如果设沿某一方向以n个压电晶柱为一个周期进行切割，那么在整个复合材料内将会产生n²/2种不同边界条件的压电晶柱，这些晶柱边界条件各不相同，因此这些晶柱的厚度振动模态的频率也就各不相同，并分布在一定的频率范围内。这些厚度振动模态的谐响应曲线叠加在一起就构成宽带压电复合材料的总体谐响应曲线，如图3所示。由于参差调谐效应拓宽了压电复合材料的带宽。

下面对宽带非均匀基底压电复合材料的制备工艺进行详细说明。

本发明首先对一整块压电晶体(或压电陶瓷)进行切割，首先沿着X方向进行切割，选择切割参数如下：刀口宽度为l，步进为m+l，第一刀切割厚度为h，由于以晶柱高度按线性分布为例进行说明，所以一个周期内每两刀之间的厚度差固定为一个常数d，则第二刀切割厚度应为h+d，以此类推，第n刀切割厚度应为h+(n-l)d，其中，h+(n-l)d<t，这样不能将样品切透，否则会影响样品中晶柱间的精确定位。X方向切割以n刀为一个周期，直到将整个压电晶体切完。然后将样品旋转90度，以同样切割程序在Y方向切割，这样就形成了压电晶柱阵列周期性排列于压电基底之上的结构。切割过程选用精密切割机，所有尺寸误差均在0.01mm范围内。

在一个周期内的压电晶柱的高度各不相同，且每个压电晶柱平行于Z轴的四个侧面分别由四个不同深度的刀槽形成。即假设这个单元位于压电复合材料某一个周期的第x行和第y列，那么就可以分别计算出这个单元的四个侧面刀槽所应具有的深度分别为h+(x-l)d、h+(y-l)d、h+xd和h+yd，如图2所示。从而实现了每个压电晶柱均由不同深度的刀槽切割而成，那么在一个周期内就会形成n²/2种单元。由于晶柱的边界条件可以对晶柱的谐振频率产生一定的影响，从而经过上述切割工艺制备出的晶柱就会形成n²/2种谐振频率，而由于参差调谐效应，这些谐振频率叠加在一起就形成了宽带的特点。

本发明以晶柱的高度按线性分布为例，选择压电陶瓷PZT5为压电晶体，聚合物选用聚氨酯，厚度t＝5mm，晶柱宽度m＝1mm，刀槽宽度l＝0.4mm，第一刀切割厚度h＝2mm，高度差d＝0.5mm，一个周期内晶柱数n＝7。测量出的试验结果Q值为4.89，如图4所示。

本发明的压电复合材料的基底厚度取值范围为0.5～10mm。

聚合物通常选择环氧树脂、聚氨酯、硅橡胶等粘接剂，这类粘接剂具有较好的流动性，可以灌注于经过以上切割形成的压电晶柱之间0.2～2mm宽的缝隙里。根据需要还可以选择直径小于0.1mm的金属粉末或小颗粒、真空玻璃微球等作为填充物，以改进聚合物的性能，进而改进复合压电材料的性能。

聚合物灌注、固化后，要进行打磨整形，将样品制备成所需的圆形、方形或者任意形状。由于压电基底并未由于切割、灌注、打磨等工艺而破坏原有电极，所以只需要在另一个面通过物理或者化学沉积的方法在上表面制备一层易于焊接的金属薄膜作为上电极。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的用于宽带换能器的压电复合材料，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。