一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构制造技术

本专利涉及一种二维曲面状结构压电陶瓷复合材料结构，尤其涉及一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构；压电陶瓷复合材料结构包括双曲面状压电陶瓷块体；在所述双曲面状压电陶瓷块体的凸侧均匀切割有多个槽，槽与槽之间形成多个相互独立的陶瓷基元；槽内填充有高分子聚合物；所述双曲面状压电陶瓷块体的上下表面为相互平行的双曲面；本专利根据复合材料结构不同的使用用途，可选用不同型号压电块体和不同的填充聚合物，制作出不同类型的二维曲面状压电陶瓷复合材料结构。根据后端换能器器件声学特性的不同要求，可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、切缝宽度以及基底厚度进行不同的设计，满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。

A piezoelectric ceramic composite structure applied to energy exchange devices

【技术实现步骤摘要】
一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构
本专利涉及一种二维曲面状结构压电陶瓷复合材料结构，尤其涉及一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构。
技术介绍
二维双曲面压电陶瓷复合材料结构是由压电陶瓷材料和聚合物按一定的体积比、一定的连通方式以及特定的空间分布复合而成。该类材料由于声学阻抗低、结构稳定等优点，可广泛被应用于高性能超声和水声器件的研发。该型压电陶瓷复合材料结构产生和接收声波信号的基本工作原理为：当交变电信号施加到压电陶瓷复合材料结构上时，压电陶瓷复合材料结构由于逆压电效应发生形变，并产生振动位移，从而向周围的介质中辐射声能量；另一方面，当外界的声波振动信号作用于该型压电陶瓷复合材料结构上时，根据压电效应，压电陶瓷复合材料结构上下电极间将产生电信号。高频二维宽波束声学器件作为声学探测领域的研究热点，应用于检测鱼雷、蛙人、声诱饵、水下无人航行器等小型水声对抗设备，可实现空间二维成像，探测精度高、探测范围广，大深度状态下工作可靠性高等优点。二维双曲面压电陶瓷复合材料结构作为高频二维宽波束声学器件的核心敏感部件，是实现能量转化的关键器件。常用的敏感部件大多采用纯压电陶瓷材料或者压电陶瓷复合材料结构。采用纯压电陶瓷时，由于压电陶瓷的声阻抗远高于水或空气等常见介质的声阻抗，导致声波振动传输效率极低；采用常见没有陶瓷基底的二维曲面状复合材料时，由于用于填充的聚合物强度有限，当外界有较大作用力作用在辐射面上时，二维不带陶瓷基底的曲面状压电陶瓷复合材料结构极易发生变形，高频工作时，导致指向性曲线起伏较大，影响声波的辐射特性。同时,该种压电陶瓷复合材料结构电极制备困难，通常需要采用磁控溅射或电镀工艺，工艺制作复杂，成本高。目前二维的不带陶瓷基底的双曲面状压电陶瓷复合材料结构以及一维带陶瓷基底和不带陶瓷基底的复合材料已被广泛应用于水声换能器件、超声换能器件以及压力传感器件。为了满足高性能高可靠性的高频二维宽波束换能器件研制要求，急需一种能够声辐射特性优异、工艺制作简单且结构稳定的新结构压电陶瓷复合材料结构。专利内容本专利实施例所要解决的技术问题在于，提供一种能够实现高频二维宽波束声学器件用新型二维双曲面压电陶瓷复合材料结构，本专利的一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构；所述压电陶瓷复合材料结构包括双曲面状压电陶瓷块体；在所述双曲面状压电陶瓷块体的凸侧均匀切割有多个槽，槽与槽之间形成多个相互独立的陶瓷基元，槽下方则为陶瓷基底；槽内填充有所述高分子聚合物；其中，所述双曲面状压电陶瓷块体的上下表面为相互平行的双曲面。根据不同应用要求，陶瓷基底厚度不等，设计值为陶瓷基元厚度的10％～20％之间；也即是所述陶瓷基元为所述双曲面状压电陶瓷块体厚度的83％～90％之间，其中，陶瓷基底指的是双曲面状压电陶瓷块体中除去陶瓷基元下方后剩余的材料。优选的，所述陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm。优选的，所述陶瓷基底的厚度为0.1～3mm。优选的，所述槽的宽度为0.1mm～10mm；可以理解的是，槽的深度与陶瓷基元的厚度一致。优选的，所述双曲面状压电陶瓷块体的型号包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括PZT-41型，PZT-43型，PZT-5型，PZT-8型中任意一种。优选的，所述高分子聚合物包括环氧树脂、聚氨酯。本专利的一种换能器件，包括顺序层叠连接的透声包覆层、匹配层、上述的压电陶瓷复合材料结构、背衬层以及水密电缆；所述透声包覆层、匹配层、以及背衬层均为与所述压电陶瓷复合材料结构相平行的双曲面状；所述水密电缆与背衬层的连接面为双曲面。优选的，根据二维双曲面状压电陶瓷复合材料结构不同的使用用途，本专利可选用不同型号压电块体和不同的填充聚合物，制作出不同类型的二维曲面状压电陶瓷复合材料结构。根据后端换能器器件声学特性的不同要求，可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、切缝宽度以及基底厚度进行不同的设计，满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。本专利的有益效果：本专利通过制作双曲面状压电陶瓷块体，然后对双曲面状陶瓷块体进行切割开槽，最后通过注塑或灌注工艺对切割缝隙进行填充；根据二维双曲面状压电陶瓷复合材料结构不同的使用用途，可选用不同型号压电块体和不同的填充聚合物，制作出不同类型的二维曲面状压电陶瓷复合材料结构。根据后端换能器器件声学特性的不同要求，可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、切缝宽度以及基底厚度进行不同的设计，能够满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。同时，电极可在制作压电块体时进行制备，具有电极制备简单等优点。基于本专利的成果，可研制出换能器件，具体可为二维高频宽波束换能器件，该器件应用用于水下成像声纳以及探测声纳时，可大幅提高探测范围和精度，由于有陶瓷块体作为支撑基底，大深度工作时，换能器件可的可靠性和稳定性可得到有效提高。附图说明图1为本专利的压电陶瓷复合材料结构；图2为本专利的一个优选实施例的换能器件；图中，1、水密电缆，2、背衬层，3、压电陶瓷复合材料结构，4、匹配层，5、透声包覆层；31、双曲面状压电陶瓷块体，32、陶瓷基元，33、高分子聚合物。具体实施方式为了使本专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利一部分实施例，而不是全部的实施例。实施例1如图1所示，本专利的一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构；所述压电陶瓷复合材料结构包括双曲面状压电陶瓷块体31；在所述双曲面状压电陶瓷块体31的凸侧均匀切割有多个槽33，槽与槽之间形成多个相互独立的陶瓷基元32；槽下方则为陶瓷基底，槽内填充有所述高分子聚合物；其中，所述双曲面状压电陶瓷块体的上下表面为相互平行的双曲面。其中，所述陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm。所述陶瓷基底的厚度为0.1～3mm。所述槽的宽度为0.1mm～10mm。所述双曲面状压电陶瓷块体的型号包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括PZT-41型，PZT-43型，PZT-5型，PZT-8型中任意一种。所述高分子聚合物包括环氧树脂、聚氨酯。作为一个优选实施例，如图2所示，本专利的一种换能器件，包括顺序层叠连接的透声包覆层5、匹配层4、压电陶瓷复合材料结构3、背衬层2以及水密电缆1；所述透声包覆层、匹配层、以及背衬层均为与所述压电陶瓷复合材料结构相平行的双曲面状；所述水密电缆与背衬层的连接面为双曲面。本专利中，压电陶瓷复合材料结构是由一整块双曲面状压电陶瓷块体经切割-浇注-填充工艺制备而成。依据设计的结构参数，首先对陶瓷块进行切割，切割出一系列交叉缝隙(槽)，从而形成均匀排列于陶瓷基底上的陶瓷基元。然后在上述缝隙中灌注高分子聚合物；整个陶瓷基元阵列由同一块材料精密切割而成，陶瓷基元间定位精度高，基元性能一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构，其特征在于，所述压电陶瓷复合材料结构包括双曲面状压电陶瓷块体；在所述双曲面状压电陶瓷块体的凸侧均匀切割有多个槽，槽与槽之间形成多个相互独立的陶瓷基元，槽下方则为陶瓷基底；槽内填充有所述高分子聚合物；其中，所述双曲面状压电陶瓷块体的上下表面为相互平行的双曲面。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构，其特征在于，所述压电陶瓷复合材料结构包括双曲面状压电陶瓷块体；在所述双曲面状压电陶瓷块体的凸侧均匀切割有多个槽，槽与槽之间形成多个相互独立的陶瓷基元，槽下方则为陶瓷基底；槽内填充有所述高分子聚合物；其中，所述双曲面状压电陶瓷块体的上下表面为相互平行的双曲面。


2.根据权利要求1所述的一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构，所述陶瓷基底的厚度为陶瓷基元厚度的10％～20％之间，也即是所述陶瓷基元为所述双曲面状压电陶瓷块体厚度的83％～90％之间。


3.根据权利要求2所述的一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构，其特征在于，所述陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm。


4.根据权利要求2所述的一种应用于换能器件的压电陶瓷复合材料结构，其特征在于，所述陶瓷基底的厚度为0.1～3...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜晓军，管弦，刘振华，唐平，汪红兵，刘良方，王登攀，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十六研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;50