一种压电振子及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种压电振子及其制备方法和应用，一种压电振子包括由三维网状聚合物和由所述三维网状聚合物区隔的周期性排列的多个压电小晶柱复合形成的复合压电片，所述压电小晶柱占所述复合压电片的体积比为0.2～0.8，所述小晶柱的高宽比为（2～6）：1，所述压电小晶柱的化学组成为锰掺杂的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。本发明专利技术利用二次切割的方法，对Mn掺杂PIN-PMN-PT加工，由于第一次切割环氧的三维联通对基体的固定，二次切割的成功率非常高，能够获得特定的频率和纯的振动模式，更有利于高频的1-3压电复合材料的制备。这对工业无损探伤和医学超声成像，都具备非常好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种压电振子及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种压电振子及其制备方法和应用，尤其是用于大功率、中高温度的超声换能器的制备，属于新型压电材料领域。
技术介绍
超声换能器是超声成像和超声检测系统的关键组成部分，压电超声换能器可通过压电振子的逆压效应产生和接收超声波信号，实现着电能和声能(机械能)之间的转换，医学中常将超声换能器称作探头。压电振子是超声换能器的换能元件，对超声换能器的性能乃至整个超声成像系统的性能至关重要。在过去几十年中，超声换能器在结构设计上有了诸多改进和提高，现有的1-3型复合结构的压电振子基本结构为压电陶瓷柱排列在聚合物基体中，该结构的的压电振子具有优良的压电各向异性、较低的声阻抗和机械品质因子、较高的机电耦合系数和压电常数，适合于生物医然而，在超声换能器换能材料上一直以来多采用PZT系压电陶瓷(锆钛酸铅))，这一方面是由于PZT陶瓷较好的压电性能，另一方面是由于PZT陶瓷生产成本低廉易于大规模生产供应。但是，随着现代信息技术和医疗技术的不断向前发展，对超声换能器提出了更高的要求，迫切需要高灵敏度、高带宽以及高分辨率的超声换能器来获取高清晰度的成像数据，为医疗诊断和工业无损探测提供内容更为丰富准确的检测结果。以铌镁酸铅-钛酸铅(化学组成为(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，简称为PMN-PT)压电单晶为代表的高性能压电材料在准同型相界附近具有非常优异的压电和机电耦合性能，d33,d31>2000pC/N,k33,k31>90％，这些性能都远远高于常用的压电陶瓷材料。国内的罗豪甦等人已经采用改进的Bridgman方法成功地实现了高质量大尺寸PMN-PT单晶的批量生产(ZL专利号99113472.9)，为新型压电单晶在超声换能器上的应用提供了材料上的保证。Mn掺杂的三元系单晶PIN-PMN-PT不仅保持了PMN-PT优异的压电性能，还拥有更大的矫顽场(5kV/cm)和更高的居里温度(180℃)，具备优异的服役性能，非常合适大功率、中高温的超声换能器制备，能够提升换能器的使用寿命和拓宽换能器的适用范围。但是Mn掺杂的PIN-PMN-PT单晶，由于Mn离子的硬性掺杂，使晶体变脆，切割成小晶柱的过程有难度。用常规的切割法很难获得需求的频率和较纯的振动模式，使工艺增加了难度。
技术实现思路
本专利技术旨在基于Mn掺杂三元单晶PIN-PMN-PT制备1-3型复合材料压电振子。本专利技术首先提供了一种压电振子，所述压电振子包括由三维网状聚合物和由所述三维网状聚合物区隔的周期性排列的多个压电小晶柱复合形成的复合压电片，所述压电小晶柱占所述复合压电片的体积比为0.2～0.8，所述小晶柱的高宽比为(2～6)：1，所述压电小晶柱的化学组成为锰掺杂的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。本专利技术采用Mn掺杂的三元系单晶PIN-PMN-PT，具有大的矫顽场(5kV/cm)和高的居里温度(180℃)，合适大功率、中高温的超声换能器制备，能够提升换能器的使用寿命和拓宽换能器的适用范围(比如用于奥氏体焊缝、异种金属焊缝、镍基焊缝等粗晶材料无损检测的双晶纵波斜探头)。而且通过控制压电相的体积分数和压电小晶柱的高宽比，获得很纯的振动模式。可极大提高机电耦合系数Kt。较佳地，所述复合压电片的厚度为100～800μm。复合压电片可以按照所需求的评论减薄至规定厚度。较佳地，所述压电小晶柱占所述复合压电片的体积比为20％～80％，优选40％～65％。较佳地，所述压电小晶柱的化学组成为0.5％Mn：xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，x为0.2～0.4，y为0.2～0.4。本专利技术中，所述聚合物可为环氧化聚合物。本专利技术还提供一种上述压电振子的制备方法，所述制备方法包括：在压电晶片的第一X方向和第一Y方向进行第一次十字切割得到多个第一方向十字槽；向所述多个第一方向十字槽填充聚合物，待聚合物固化后，磨平其上下表面得到第一压电复合材料；在第一压电复合材料的第二X方向和第二Y方向进行第二次十字切割得到多个第二方向十字槽；向所述多个第二方向十字槽填充聚合物，待聚合物固化后，磨平其上下表面得到第二压电复合材料；以及将所述第二压电复合材料厚度按所需频率进行减薄得到所述复合压电片；其中，所述多个第一方向十字槽和所述多个第二方向十字槽配合呈现为等间距的网状槽结构。本专利技术利用二次切割的方法，对Mn掺杂PIN-PMN-PT加工，由于第一次切割环氧的三维联通对基体的固定，二次切割的成功率非常高，能够获得特定的频率和纯的振动模式，更有利于高频的1-3压电复合材料的制备。这对工业无损探伤和医学超声成像，都具备非常好的应用前景。附图说明图1示出本专利技术压电振子结构示意图，1为电极，2为聚合物，3为小晶柱；图2A示出本专利技术压电振子制备流程示意图；图2B示出第一次切割形成的槽的示意图；图2C示出第二次切割形成的槽的示意图；图3示出压电振子的实物照片(a)以及复合材料的光学显微镜下的照片(b)；图4示出本专利技术示例压电振子阻抗谱的谱图。具体实施方式下面参照附图，通过具体的实施方式对本专利技术作进一步说明，以更好地理解本专利技术。本专利技术的目的是在于基于Mn掺杂三元单晶PIN-PMN-PT和聚合物制备1-3型复合材料压电振子，尤其是用于大功率、中高温度的超声换能器的制备。参见图1，本专利技术的压电振子为多层结构，包括位于中间1-3型复合材料压电晶片(复合压电片)，和位于两侧的复合电极层1。复合电极层1可选用镍镉和金的复合电极层。复合压电片由小晶柱3和聚合物2构成。其中聚合物2呈三维网状结构，等间隔的区隔小晶柱3、即小晶柱3呈周期性排列并由聚合物2区隔。小晶柱3可呈长方体柱状，其横截面可为正方形，其高宽比可为(2～6)：1，优选3～6。例如小晶柱的高度可为100～800μm。小晶柱3可选用Mn掺杂三元单晶PIN-PMN-PT材料，其化学组成可为0.5％Mn：xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，x为0.2～0.4，y为0.2～0.4。聚合物2可选用环氧化聚合物。小晶柱3占复合压电片的体积比可为0.2～0.8，优选0.4～0.65。本专利技术可以将压电振动模式由厚度振动模式变成高度柱状振动模式，机电耦合系数Kt可以提高20％左右，达到83～90％，例如从60％提升到86％，提高了压电性能和能量转换效率，采用Mn离子掺杂又可以提高居里温度和矫顽场，从而具备优异的服役性能。在工业无损检测、水声和医用超声换能器的设计中，能够提高医学超声换能器的成像质量，提高工业超声换能器的信噪比和分辨率，扩大水声换能器的探测范围和探测准确率。以下描述本专利技术的压电振子的一个示例方法。首先，选取准同型相界附近的压电晶片。可采用改进的Bridgman方法生长制备Mn掺杂三元单晶PIN-PMN-PT材料，例如可参见“Enhanceddielectric,pyroelectricandferroelectricpropertiesofMn-doped0.15Pb(In1/2Nb1/2)O3–0.55Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.30PbTiO3singlec本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电振子，其特征在于，所述压电振子包括由三维网状聚合物和由所述三维网状聚合物区隔的周期性排列的多个压电小晶柱复合形成的复合压电片，所述压电小晶柱占所述复合压电片的体积比为0.2～0.8，所述小晶柱的高宽比为（2～6）：1，所述压电小晶柱的化学组成为锰掺杂的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅。

【技术特征摘要】
1.一种压电振子，其特征在于，所述压电振子包括由三维网状聚合物和由所述三维网状聚合物区隔的周期性排列的多个压电小晶柱复合形成的复合压电片，所述压电小晶柱占所述复合压电片的体积比为0.2～0.8，所述小晶柱的高宽比为（2～6）：1，所述压电小晶柱的化学组成为锰掺杂的铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅。2.根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述复合压电片的厚度为100～800μm。3.根据权利要求1或2所述的压电振子，其特征在于，所述压电振子的机电耦合系数Kt为0.8～0.9。4.根据权利要求1～3中任一项所述的压电振子，其特征在于，所述压电小晶柱占所述复合压电片的体积比为40%～65%。5.根据权利要求1～4中任一项所述的压电振子，其特征在于，所述压电小晶柱的化学组成为0.5%Mn：xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3，x为0.2～0.4，y为0.2～0.4。6.根据权利要求1～5中任一项所述的压电振子，其特征在于，所述聚合物为环氧化聚合物。7.一种根据权利要求1～6中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓吉，罗豪甦，赵祥永，岳晴雯，邓昊，王升，李晓兵，王西安，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，上海硅酸盐研究所中试基地，
类型：发明
国别省市：上海,31