本发明专利技术公开了一种基于液态金属的大面积柔性压电换能器，包括：柔性压电复合材料、顶部电极层、底部电极层和匹配层；所述顶部电极层和所述底部电极层分别对应设置在所述柔性压电复合材料的顶部和底部；所述匹配层与所述柔性压电复合材料纵向连接；所述匹配层阵列间隙中灌注液态金属。一方面通过设计梯形匹配层阵列，将液态金属灌注于阵列间隙，形成一种高柔性的表面导电层；另一方面在这种新型柔性压电复合材料中，为了减少声波传递过程中的能量损失，即降低声阻抗，采用密度低的环氧树脂作为柔性被动相材料。总之，本发明专利技术采用液态金属作为柔性导电层，且换能器用柔性硅膜封装，液态金属无论是液态还是固态均可发挥导电作用，保证了换能器的全柔性。证了换能器的全柔性。证了换能器的全柔性。
【技术实现步骤摘要】
基于液态金属的大面积柔性压电换能器及其表面导电处理方法
[0001]本专利技术涉及压电换能器
，尤其涉及基于液态金属的大面积柔性压电换能器及其表面导电处理方法。
技术介绍
[0002]压电复合材料是近三十年出现的一类材料，它由压电陶瓷与聚合物复合而成，它主要通过添加聚合物相来提高材料的综合性能，其厚度机电耦合系数可较压电陶瓷提高20％，以压电陶瓷制作的复合材料机电耦合系数达到70％，以压电单晶制作的复合材料机电耦合系数达到90％。介电常数可根据两相材料体积百分比进行调节，适宜与后端电路匹配。特性声阻抗和密度较压电陶瓷大幅度减小，更适宜与水匹配。且选用特殊聚合物相材料时，压电复合材料具有柔性，适合制备各种异形换能器。
[0003]常规的压电复合材料导电处理技术，如导电银胶、磁控溅射、化学镀等均不具有柔性，柔性导电处理技术仍是相关领域的技术瓶颈之一。液态金属是指熔点低于室温的单相金属单质或合金。单质中只有汞(Hg)是液态金属，镓(Ga)，铷(Rb)、铯(Cs)是低熔点金属。单相液态金属合金是完全液态的流体，元素均匀分布而没有偏析区域。单相低熔点金属合金主要由少数几种基本元素组成，包括过渡(Ga，In，Tl，Sn，Pb，Al和Bi)和锌(第12组)元素(Zn，Cd和Hg)。可以将这些元素结合起来，制成低熔点的一系列合金，例如:Ga(85.5％)/In(14.2％)熔点为15.6℃、Ga(91.7％)/Sn(8.3％)为21.0℃。为每种合金定义了一种共晶成分，该成分决定了元素的组合，从而允许合金在一个熔点下完全熔融。
[0004]因此，以Ga为基础的低共熔点合金如共晶镓铟合金和镓铟锡合金是最常见的单相液态金属，两种合金在约30℃时的体积电导率为3.4*106S.m
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1。与Hg，Fr，Cs和其他在室温(或接近室温)下呈液态的金属相比，Ga基合金的低粘度(2mPas)、低毒性和可忽略的蒸气压使它的应用范围更广。由于液态金属暴露于空气中能自发形成保护性氧化层，该层氧化物薄膜不仅使液态金属容易保存为一定形状，又能使其对非金属材料有良好的润湿性。这些特性使得液态金属应用在柔性可拉伸电子器件与材料中。又由于液态金属具备优异的电和热等性能，被研究人员应用于功能弹性体的设计与制备，利用它低熔点、低粘度和易生成氧化膜形成良好的界面效果使液态金属固定形状的特点，可以利用压力将其填充在一定的空间内制备出各种各样形状的器件或材料。液态金属在填充一定空间时，由于金属表面生成的氧化膜与材料之存在浸润作用，从而促使液态金属几乎可以填充任何形状的空间。
[0005]综上所述，如何根据液态金属的特点研发一种压电换能器及其表面导电处理方法，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于液态金属的大面积柔性压电换能器及其表面导电处理方法，通过设计梯形匹配层，将液态金属灌注进去，形成一种高柔性的表面导电层，
且换能器四周及顶部用柔性硅膜防水层封装，可保证换能器具有全柔性，可广泛应用于海洋通讯、探测、定位、回声探深、海底地质考察、石油勘探与开采、遥测遥感、沉船打捞、海洋捕鱼等领域。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于液态金属的大面积柔性压电换能器，包括：柔性压电复合材料、顶部电极层、底部电极层和匹配层；
[0009]所述顶部电极层和所述底部电极层分别对应设置在所述柔性压电复合材料的顶部和底部；
[0010]所述匹配层与所述柔性压电复合材料纵向连接；
[0011]且，所述匹配层为阵列结构，在所述匹配层阵列间隙中灌注液态金属。
[0012]采用上述技术方案的有益效果：本专利技术在匹配层内灌注有液态金属，首先液态金属具有低熔点、低毒性、低粘度、高导电等特点，其次，将液态金属灌注进去形成了一种高柔性的表面导电层，且液态金属无论是液体状态还是固体状态均可有效发挥导电作用。
[0013]优选的，所述柔性压电复合材料中设置有压电材料柱，所述匹配层的下底面与所述压电材料柱的上表面相对粘结。
[0014]进一步，所述柔性压电复合材料还包括：柔性被动相材料，所述压电材料柱之间灌注有所述柔性被动相材料。
[0015]更进一步，所述柔性被动相材料优选为环氧树脂。
[0016]优选的，所述匹配层为梯形匹配层。
[0017]采用上述技术方案的有益效果：梯形匹配层的下底面与压电材料柱的上表面相对粘接，梯形匹配层的上表面用于接收声波，梯形匹配层主要起应力放大的作用，外部声压作用于梯形匹配层的上表面，进一步声波从梯形匹配层传播至压电材料过程中，由于下表面面积小，其应力增大，使其作用于压电材料上的应力增大，提高了换能器的灵敏度。
[0018]优选的，所述液态金属选自单相液态金属。
[0019]进一步，所述液态金属为Ga为基础的低共熔点合金。
[0020]更进一步，所述液态金属共晶镓铟合金或镓铟锡合金。
[0021]采用上述技术方案的有益效果：共晶镓铟合金、镓铟锡合金熔点分别为15.6℃，11℃；灌注温度低于合金的熔点。
[0022]优选的，还包括柔性硅膜防水层，用于封装所述柔性压电换能器。
[0023]本专利技术还提供了一种基于液态金属的大面积柔性压电换能器表面导电处理方法，具体包括：
[0024]1)将压电材料切割成周期排列的压电材料柱阵列，并留有基底；
[0025]2)在压电材料柱阵列缝隙之间灌注柔性被动相材料，并固化；
[0026]3)切除基底得到成型的柔性压电复合材料；
[0027]4)在柔性压电复合材料的两面溅射电极层；
[0028]5)将匹配层阵列与柔性压电复合材料的压电材料柱阵列一一对应并粘结；
[0029]6)将液态金属灌注至步骤5)得到的结构中；
[0030]7)将步骤6)得到的结构用柔性硅膜进行封装，固化后得到柔性压电换能器。
[0031]优选的，步骤1)所述切割用的压电材料为整块压电陶瓷块。
[0032]采用上述技术方案的有益效果：采用整块压电陶瓷块切割的方法，保证压电材料小柱阵列均匀排布。
[0033]优选的，步骤2)所述柔性被动相材料为环氧树脂。
[0034]采用上述技术方案的有益效果：采用密度低的环氧树脂作为被动相材料，更能有利于减少声波传递过程中的能量损失，即降低声阻抗。
[0035]优选的，步骤4)所述的电极层为银电极层；步骤5)所述的液态金属灌注温度为5℃。
[0036]综上所述，本专利技术与现有技术相比至少取得以下技术效果：
[0037]1)本专利技术通过设计梯形匹配层，将液态金属灌注进去，形成了一种高柔性表面导电层；
[0038]2)本专利技术涉及的液态金属选自单相液态金属的一种，尤其是以选自Ga为基础的低共熔点合金，尤其是选自共晶镓铟合金或镓铟锡合金，制作的柔性导电层具备低熔点、低毒性、低粘度、高导电等本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的大面积柔性压电换能器，其特征在于，包括：柔性压电复合材料、顶部电极层、底部电极层和匹配层；所述顶部电极层和所述底部电极层分别对应设置在所述柔性压电复合材料的顶部和底部；所述匹配层与所述柔性压电复合材料纵向连接；且，所述匹配层为阵列结构，在所述匹配层阵列间隙中灌注液态金属。2.根据权利要求1所述的基于液态金属的大面积柔性压电换能器，其特征在于，所述柔性压电复合材料包括压电材料柱，所述匹配层的下底面与所述压电材料柱的上表面相对；所述柔性压电复合材料还包括：柔性被动相材料，所述压电材料柱之间灌注所述柔性被动相材料。3.根据权利要求1或2所述的基于液态金属的大面积柔性压电换能器，其特征在于，所述匹配层为梯形匹配层。4.根据权利要求1所述的基于液态金属的大面积柔性压电换能器，其特征在于，所述液态金属选自单相液态金属。5.根据权利要求1所述的基于液态金属的大面积柔性压电换能器，其特征在于，所述液态金属为Ga为基础的低共熔点合金。6.根据权利要求1所述的基于液态金属的大面积柔性压电换能器，其特征在于，所述液态金属共晶镓铟合金或镓铟锡合金。7....
【专利技术属性】
技术研发人员：秦雷，侯薇，郝少华，廖擎玮，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：
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