基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于改进聚合物相的1‑3型压电复合材料及其制备方法。该压电复合材料通过采用环氧树脂与硅橡胶等聚合物构成的夹心式结构来改进聚合物相材料，以减小其对压电柱振动的影响，继而提高复合材料整体的机电耦合系数。本发明专利技术用有限元分析工具仿真了这种新型压电复合材料的谐振频率、声速、机电耦合系数和特性阻抗随硅橡胶体积百分比的变化关系，根据仿真结果制备了压电复合材料，并对其性能进行了测试，结果表明实验与仿真基本吻合，复合材料的机电耦合系数比常规的1‑3型复合材料提高11％。本发明专利技术的改进聚合物相的1‑3型压电复合材料非常适用于制造具有高机电转换效率的压电复合材料换能器。

Based on the modified polymer phase 1 3 piezoelectric composite material and preparation method thereof

The invention relates to a 3 type piezoelectric composite material and its preparation method based on modified polymer phase 1. The piezoelectric composite material sandwich structure by using epoxy resin and silicone rubber and other polymers to improve the polymer materials, to reduce its impact on the piezoelectric vibration column, and then improve the electromechanical coupling coefficient of the composite overall. The relationship between changes of the invention by the finite element analysis tool for simulation of this new type of piezoelectric resonant frequency, composite velocity, electromechanical coupling coefficient and characteristic impedance with silicone rubber volume percent, according to the simulation results of piezoelectric composite was prepared, and its performance was tested, the results show that the experimental and simulation are basically consistent, electromechanical the coupling coefficient of the composite than the conventional 1 3 composite materials increased by 11%. Improved polymers of the invention of the 1 3 type piezoelectric composite material is suitable for manufacturing with piezoelectric composite transducer with high electromechanical conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料及其制备方法
本专利技术属于压电复合材料
，具体涉及一种基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料及其制备方法。
技术介绍
1-3压电复合材料是由一维连通的压电相周期性分布于三维连通的聚合物相中形成的一种由两相材料构成的压电复合材料。由于其具有高的厚度机电耦合系数，较低的机械品质因素和声阻抗，已被广泛研究并应用于水声换能器、超声探测、生物医学成像等领域。Rouffaud等人(RouffaudR,LevassortF,PhamTM,etal.Super-CellPiezoelectricCompositeWith1-3Connectivity.[J].IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl,2016,63(12):2215-2223.)在1-3型压电复合材料中引入了用于声子晶体的超单元结构的概念，研制了1-3型超单元压电复合材料，提高了压电复合材料的工作带宽。He等人(HeC,WangY,LuY,etal.DesignandFabricationofAir-Based1-3PiezoelectricCompositeTransducerforAir-CoupledUltrasonicApplications[J].JournalofSensors,2016,2016(6):1-11.)利用3D打印技术，设计了一种空气基1-3型压电复合材料，其机电耦合系数达0.7左右。Liu等人(LiuD,YueQ,DengJ,etal.BroadbandandHighSensitiveTime-of-FlightDiffractionUltrasonicTransducersBasedonPMNT/Epoxy1–3PiezoelectricComposite.[J].Sensors,2015,15(3),6807-6817.)研制了一种PMNT/epoxy1-3型压电复合材料，其机电耦合系数可以达到0.857左右。Qin等(XuhuiMi,LeiQin*,QingweiLiao,LikunWang,Electromechanicalcouplingcoefficientandacousticimpedanceof1-1-3piezoelectriccomposites,CeramicsInternational43(2017),7374–7377.)人研制了一种1-1-3型压电复合材料，基于压电陶瓷的复合材料机电耦合系数可以达到0.69。基于弛豫铁电单晶的1-1-3型压电复合材料，机电耦合系数可以达到0.89(QinL,WangLK,LongD,etal.Thestudyof1-1-3piezoelectriccompositebasedonrelaxorferroelectricsinglecrystal[C]//ApplicationsofFerroelectrics,InternationalWorkshoponAcousticTransductionMaterialsandDevices&WorkshoponPiezoresponseForceMicroscopy(ISAF/IWATMD/PFM),2014JointIEEEInternationalSymposiumonthe.IEEE,2014:1-4.)。由于聚合物的存在，压电复合材料的厚度振动模式会受到横向聚合物共振的影响，导致压电复合材料的综合性能下降。因此，为了改善1-3压电复合材料的厚度振动模式性能，就必须避免其厚度振动模式附近的聚合物横向共振干扰。P.Reynolds等人(ReynoldsP,HyslopJ,HaywardG.Analysisofspuriousresonancesinsingleandmulti-elementpiezocompositeultrasonictransducers[C]//Ultrasonics,2003IEEESymposiumon.IEEE,2003,2:1650-1653.RouffaudR,Hladky-HennionAC,MaiPT,etal.Influenceof1-3piezocompositefabricationsonlateralmodes[C]//UltrasonicsSymposium.IEEE,2012:1-4.)分析了1-3压电复合材料中陶瓷柱间寄生谐振产生的原因，通过在压电复合材料中引入准周期结构减少了横向振动对厚度振动模式的干扰。此外，改变压电相的形状和宽高比也可以改善压电复合材料的机电性能，通常使用三角柱或正六棱柱的复合材料有良好的去偶效果。但这些现有技术存在生产工艺复杂、机械稳定性不好等缺点。
技术实现思路
本专利技术提出一种改进的1-3型压电复合材料，通过采用环氧树脂与硅橡胶构成的夹心式结构来改进聚合物相材料，以此来减小1-3型压电复合材料中的聚合物相对压电相振动的影响。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料，包括压电陶瓷柱阵列，以及填充于压电陶瓷柱之间的支撑层，所述支撑层位于压电陶瓷柱之间的空隙的中间位置，所述支撑层的两侧保留空隙或填充杨氏模量小于所述支撑层的杨氏模量的聚合物。进一步地，所述支撑层为聚合物或压电陶瓷。进一步地，所述支撑层为环氧树脂或酚醛树脂，所述支撑层两侧填充硅橡胶或聚氨酯。除这些材料外，也可以采用其它合适的材料。进一步地，所述支撑层两侧填充具有单一杨氏模量的聚合物；或者所述支撑层两侧填充具有梯度杨氏模量的聚合物，且聚合物的杨氏模量从靠近压电陶瓷柱中间位置到靠近压电陶瓷柱两端位置逐渐降低。所述具有梯度杨氏模量的聚合物可以是分层结构，即由杨氏模量不同的至少两层聚合物构成；也可以不分层，即杨氏模量均匀变化。一种制备上述基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料的方法，该压电复合材料中的支撑层采用第一聚合物，支撑层两侧采用第二聚合物，第二聚合物的杨氏模量小于第一聚合物的杨氏模量，该方法包括以下步骤：1)切割压电陶瓷，形成压电陶瓷柱阵列；压电陶瓷在厚度上不透切，以使各压电陶瓷柱保留共同的基底；2)向压电陶瓷柱之间的切槽内浇注第一聚合物，并固化；3)切割第一聚合物，切槽与步骤1)切割压电陶瓷形成的切槽一致，切槽深度等于第二聚合物的设计深度；4)在步骤3)形成的切槽中浇注第二聚合物；5)将压电陶瓷倒置，切割步骤1)预留的压电陶瓷基底，形成压电陶瓷柱阵列，切槽与步骤1)形成的切槽对齐，切槽深度等于第二聚合物的设计深度；6)向步骤5)形成的切槽中浇注第二聚合物，并固化。一种制备上述基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料的方法，该压电复合材料中的支撑层为压电陶瓷，支撑层两侧填充聚合物，该方法包括以下步骤：1)切割压电陶瓷形成压电陶瓷柱阵列，切槽的深度等于聚合物的设计深度；2)向切槽内浇注聚合物，并固化；3)将压电陶瓷倒置，切割压电陶瓷形成压电陶瓷柱阵列，切槽与步骤1)形成的切槽对齐，切槽深度等于聚合物的设计深度；该步骤形成的切槽与步骤1)形成的切槽之间保留一层压电陶瓷，作为支撑层；4)向步骤3)形成的切槽内浇注聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进聚合物相的1‑3型压电复合材料，其特征在于，包括压电陶瓷柱阵列，以及填充于压电陶瓷柱之间的支撑层，所述支撑层位于压电陶瓷柱之间的空隙的中间位置，所述支撑层的两侧保留空隙或填充杨氏模量小于所述支撑层的杨氏模量的聚合物。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料，其特征在于，包括压电陶瓷柱阵列，以及填充于压电陶瓷柱之间的支撑层，所述支撑层位于压电陶瓷柱之间的空隙的中间位置，所述支撑层的两侧保留空隙或填充杨氏模量小于所述支撑层的杨氏模量的聚合物。2.如权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于，所述支撑层为聚合物。3.如权利要求2所述的压电复合材料，其特征在于，所述支撑层为环氧树脂或酚醛树脂，所述支撑层两侧填充硅橡胶或聚氨酯。4.如权利要求3所述的压电复合材料，其特征在于，所述支撑层两侧填充的聚合物的体积分数大于60％。5.如权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于，所述支撑层为压电陶瓷。6.如权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于，所述支撑层两侧填充具有单一杨氏模量的聚合物；或者所述支撑层两侧填充具有梯度杨氏模量的聚合物，且聚合物的杨氏模量从靠近压电陶瓷柱中间位置到靠近压电陶瓷柱两端位置逐渐降低。7.如权利要求6所述的压电复合材料，其特征在于，所述具有梯度杨氏模量的聚合物由杨氏模量不同的至少两层聚合物构成。8.一种制备权利要求1所述基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料的方法，该压电复合材料中的支撑层采用第一聚合物，支撑层两侧采用第二聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦雷，张彦军，仲超，王丽坤，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11