專利名稱：寬帶換能器的壓電復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于壓電材料及其器件技術(shù)，具體涉及到一種用于水聲、超聲探測的寬帶換 能器的壓電復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
壓電復(fù)合材料主要應(yīng)用于水聲換能器和超聲換能器兩個(gè)方面。水聲換能器是將聲能和 電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的器件，其地位類似于無線電設(shè)備中的天線，是在水下發(fā)射和接收聲波 的關(guān)鍵器件。水下的探測、識(shí)別、通信，以及海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋資源的開發(fā)，都離不開 水聲換能器。超聲換能器主要用于醫(yī)療超聲成像、無損檢測等方面，原理與水聲換能器相 同，只是應(yīng)用的頻率比水聲換能器高。
目前常用的通過壓電效應(yīng)制作的換能器主要釆用以下幾種敏感材料壓電單晶、鋯鈦 酸鉛壓電陶瓷以及壓電復(fù)合材料。其中壓電陶瓷和壓電單晶由于Q值較高，并不適合制備 寬帶換能器，而壓電復(fù)合材料雖然在Q值上有一定的降低，但是仍然不能滿足現(xiàn)在水聲換
能器領(lǐng)域的需求。為此，申請(qǐng)人于2004年研發(fā)了一種基于串并聯(lián)壓電復(fù)合材料的器件(專 利200410009179. 3)，該器件采用的材料是在傳統(tǒng)1-3型壓電復(fù)合材料基礎(chǔ)上并聯(lián)了一個(gè) 壓電基底，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在橫向和縱向都有壓電陶瓷骨架的支撐。兼有并聯(lián)和串聯(lián)壓 電復(fù)合材料的特點(diǎn)，性能穩(wěn)定，在受熱和外力沖擊下不易變形，制作工藝簡單，且由于該 壓電復(fù)合材料引入了聚合物相，使得復(fù)合材料的損耗增加，從而在一定程度上降低了Q值， 但是，該壓電復(fù)合材料的Q值仍在10以上，不能實(shí)現(xiàn)制備寬帶換能器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種用于制備寬帶換能器的壓電復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種寬帶換能器的壓電復(fù)合材料，包括壓電晶體和聚合物，壓電晶體分為上、下兩部 分，其中，上部結(jié)構(gòu)為均勻排列的多個(gè)壓電晶柱，下部結(jié)構(gòu)為一壓電基底，所述壓電晶柱 的高度呈周期性差異，使得壓電基底厚度不均勻，聚合物填充在所述壓電晶柱之間，所述 壓電晶柱及壓電基底的極化方向沿著壓電復(fù)合材料的厚度方向。
3壓電晶柱的高度差異具有線性分布或高斯分布規(guī)律。每個(gè)壓電晶柱的垂直于水平面的四個(gè)側(cè)面的面積不相同。
晶柱的邊長為0. 3 5mm，每片晶柱的高度為0. 5 15ram，相鄰兩個(gè)晶柱的高度不同，成周期性空間分布，每個(gè)周期內(nèi)呈線性分布、高斯分布等，晶柱間的差值為O. 1 5mm。
上述聚合物可以選擇環(huán)氧樹脂、聚氨酯、硅橡膠等粘接劑，聚合物固化后寬度為0. 2 2咖。填充物可以根據(jù)不同的需求選擇金屬粉末或小顆粒、真空玻璃微球，其直徑小于O.lmm，便于均勻添加于聚合物中并且能夠灌注到切割形成的刀槽內(nèi)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明在申請(qǐng)人的專利(基于串并聯(lián)壓電復(fù)合材料的器件)基礎(chǔ)上，通過改變壓電晶柱間的高度差，既保持了壓電體本身的高發(fā)射電壓響應(yīng)，大的機(jī)電耦合系數(shù)(60-70%)，同時(shí)，由于每個(gè)壓電晶柱的諧振頻率不同，增加了壓電復(fù)合材料的寬帶，本發(fā)明壓電復(fù)合材料的Q值可以達(dá)到10以下，適用于制備寬帶換能器。


圖1是本發(fā)明寬帶壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意其中，l一壓電晶柱；2—壓電基底；3—聚合物；4一電極；
圖2是寬帶壓電復(fù)合材料中一個(gè)壓電晶柱單元結(jié)構(gòu)示意圖3是二級(jí)參差調(diào)諧效應(yīng)示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例的試驗(yàn)結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩詳細(xì)描述
參考圖1，本發(fā)明壓電復(fù)合材料的壓電晶柱均勻排列于壓電基底之上，相鄰的晶柱之間，填充有聚合物，而聚合物內(nèi)又有填充物用來調(diào)節(jié)聚合物的性能；壓電晶柱及壓電基底的極化方向沿著復(fù)合材料的厚度方向；上、下電極由易焊接金屬經(jīng)沉積或燒結(jié)制成，上、下電極分別位于寬帶壓電復(fù)合材料的上下表面，構(gòu)成寬帶換能器壓電元件。本發(fā)明壓電復(fù)合材料中，在平行和垂直于極化方向均有硬質(zhì)壓電陶瓷支撐，且每個(gè)周期內(nèi)的壓電晶柱的高度具有線性分布或高斯分布規(guī)律，造成壓電晶柱高度不同，壓電基底厚度也不均勻，壓電復(fù)合材料的厚度振動(dòng)諧振頻率的帶寬較寬、機(jī)械Q值較小， 一般可達(dá)到10以下。
本發(fā)明壓電復(fù)合材料的壓電晶柱的平行于Z方向的四個(gè)側(cè)面分別與聚合物相接觸，采用了特殊切割工藝，四個(gè)接觸面面積各不相同。如果設(shè)沿某一方向以n個(gè)壓電晶柱為一個(gè)周期進(jìn)行切割，那么在整個(gè)復(fù)合材料內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生""2種不同邊界條件的壓電晶柱，這些晶柱邊界條件各不相同，因此這些晶柱的厚度振動(dòng)模態(tài)的頻率也就各不相同，并分布在一定的頻率范圍內(nèi)。這些厚度振動(dòng)模態(tài)的諧響應(yīng)曲線疊加在一起就構(gòu)成寬帶壓電復(fù)合材料的總體諧響應(yīng)曲線，如圖3所示。由于參差調(diào)諧效應(yīng)拓寬了壓電復(fù)合材料的帶寬。下面對(duì)寬帶非均勻基底壓電復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明首先對(duì)一整塊壓電晶體(或壓電陶瓷)進(jìn)行切割，首先沿著X方向進(jìn)行切割，
選擇切割參數(shù)如下刀口寬度為/，步進(jìn)為附+/，第一刀切割厚度為A，由于以晶柱高度按線性分布為例進(jìn)行說明，所以一個(gè)周期內(nèi)每兩刀之間的厚度差固定為一個(gè)常數(shù)d，則第二刀切割厚度應(yīng)為/z+"，以此類推，第n刀切割厚度應(yīng)為/z + ("-/)d，其中，+這樣不能將樣品切透，否則會(huì)影響樣品中晶柱間的精確定位。X方向切割以n刀為一個(gè)周期，直到將整個(gè)壓電晶體切完。然后將樣品旋轉(zhuǎn)90度，以同樣切割程序在Y方向切割，這樣就形成了壓電晶柱陣列周期性排列于壓電基底之上的結(jié)構(gòu)。切割過程選用精密切割機(jī)，所有尺寸誤差均在0.01mm范圍內(nèi)。
在一個(gè)周期內(nèi)的壓電晶柱的高度各不相同，且每個(gè)壓電晶柱平行于Z軸的四個(gè)側(cè)面分別由四個(gè)不同深度的刀槽形成。即假設(shè)這個(gè)單元位于壓電復(fù)合材料某一個(gè)周期的第x行和第y列，那么就可以分別計(jì)算出這個(gè)單元的四個(gè)側(cè)面刀槽所應(yīng)具有的深度分別為
A +/)^、 /z + o-/;k/、 /z + xJ禾p/z + ;^，如圖2所示。從而實(shí)現(xiàn)了每個(gè)壓電晶柱均由
不同深度的刀槽切割而成，那么在一個(gè)周期內(nèi)就會(huì)形成"2/2種單元。由于晶柱的邊界條件
可以對(duì)晶柱的諧振頻率產(chǎn)生一定的影響，從而經(jīng)過上述切割工藝制備出的晶柱就會(huì)形成
MV2種諧振頻率，而由于參差調(diào)諧效應(yīng)，這些諧振頻率疊加在一起就形成了寬帶的特點(diǎn)。本發(fā)明以品柱的高度按線性分布為例，選擇壓電陶瓷PZT5為壓電晶體，聚合物選用聚氨酯，厚度t二5mm，晶柱寬度m-lmm，刀槽寬度/=0.4mm，第一刀切割厚度h=2mm，高度差d^^.5mm， 一個(gè)周期內(nèi)晶柱數(shù)11=7。測量出的試驗(yàn)結(jié)果Q值為4.89，如圖4所示。本發(fā)明的壓電復(fù)合材料的基底厚度取值范圍為0. 5 10mm。
聚合物通常選擇環(huán)氧樹脂、聚氨酯、硅橡膠等粘接劑，這類粘接劑具有較好的流動(dòng)性，可以灌注于經(jīng)過以上切割形成的壓電晶柱之間0. 2 2mm寬的縫隙里。根據(jù)需要還可以選擇直徑小于0. lmm的金屬粉末或小顆粒、真空玻璃微球等作為填充物，以改進(jìn)聚合物的性能，進(jìn)而改進(jìn)復(fù)合壓電材料的性能。
聚合物灌注、固化后，要進(jìn)行打磨整形，將樣品制備成所需的圓形、方形或者任意形狀。由于壓電基底并未由于切割、灌注、打磨等工藝而破壞原有電極，所以只需要在另一 個(gè)面通過物理或者化學(xué)沉積的方法在上表面制備一層易于焊接的金屬薄膜作為上電極。
以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的用于寬帶換能器的壓電復(fù)合材料，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改； 其制備方法也不限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種寬帶換能器的壓電復(fù)合材料，其特征在于包括壓電晶體和聚合物，壓電晶體分為上、下兩部分，其中，上部結(jié)構(gòu)為均勻排列的多個(gè)壓電晶柱，下部結(jié)構(gòu)為一壓電基底，所述壓電晶柱的高度呈周期性差異，使得壓電基底厚度不均勻，聚合物填充在所述壓電晶柱之間，所述壓電晶柱及壓電基底的極化方向沿著壓電復(fù)合材料的厚度方向。
2、 如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于，壓電晶柱的高度差異呈線性分布或高斯 分布規(guī)律。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的材料，其特征在于，每個(gè)壓電晶柱的垂直于水平面的四 個(gè)側(cè)面的面積不相同。
4、 如權(quán)利要求l所述的材料，其特征在于，每個(gè)壓電晶柱橫截面的邊長長度在0.3 5mm之間。
5、 如權(quán)利要求l所述的材料，其特征在于，每個(gè)壓電晶柱的高度范圍為0.5 15mra。
6、 如權(quán)利要求1或2所述的材料，其特征在于，在每個(gè)周期內(nèi)，壓電晶柱的高度差 值為0. 1 5mm之間。
7、 如權(quán)利要求1所述的材料，其特征在于，聚合物選自環(huán)氧樹脂、聚氨酯或硅橡膠 中的一種。
8、 如權(quán)利要求1或7所述的材料，其特征在于，在聚合物中填充金屬粉末、金屬小顆粒或真空玻璃微球。
9、 如權(quán)利要求8所述的材料，其特征在于，所述金屬粉末、金屬小顆?；蛘婵詹Ａ?微球的直徑小于O.lmm。
10、 如權(quán)利要求l所述的材料，其特征在于，所述壓電晶體是壓電單晶或壓電陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬帶換能器的壓電復(fù)合材料，屬于壓電材料技術(shù)領(lǐng)域。該壓電復(fù)合材料包括壓電晶體和聚合物，壓電晶體分為上、下兩部分，其中，壓電晶體的上部結(jié)構(gòu)為均勻排列的多個(gè)壓電晶柱，壓電晶體的下部結(jié)構(gòu)為一壓電基底，所述壓電晶柱的高度呈周期性差異，使得壓電基底厚度不均勻，聚合物填充在壓電晶柱之間，壓電晶柱及壓電基底的極化方向沿著壓電復(fù)合材料的厚度方向。由于每個(gè)壓電晶柱的諧振頻率不同，通過改變壓電晶柱間的高度，增加了壓電復(fù)合材料的寬帶。本發(fā)明壓電復(fù)合材料的Q值可以達(dá)到10以下，適用于寬帶換能器的制備。
文檔編號(hào)H01L41/187GK101499512SQ200910078780
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者張金鐸, 莉 李, 鋼 王, 王麗坤, 雷 秦 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)