一种2-2型压电复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种2

【技术实现步骤摘要】
一种2
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2型压电复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于超声材料
，具体涉及一种2
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2型压电复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]水声装备作为海洋中的“千里眼”和“顺风耳”，被广泛应用于水下通讯导航、海洋资源、海洋地质地貌等领域，目前已成为水下信息获取的主要装备。水声换能器作为水声装备的重要组成部分，在实现水中目标探测、跟踪、识别、定位、打击及水声对抗中发挥着关键性作用。压电材料是水声换能器的核心关键材料，直接影响和制约着水声装备的性能和战斗力。随着水声换能器的发展和医学超声、无损检测、深海油田探测等各领域对超声设备的需求日益扩大，压电材料作为使用最广泛的水声换能器材料，其带宽、灵敏度、发射功率等性能要求逐渐提高，近年来受到了广泛的关注。
[0003]压电体，即在受外力情况下可产生电荷(正压电性)或在受外电场情况下可产生形变(逆压电性)的电介质体。由传统的压电材料如PZT压电陶瓷、聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜等制作的发射型水声换能器存在矫顽场偏低、各向异性较小、带宽小等缺点，导致其制备的换能器性能较低，无法应用于工作频率更复杂，成像更精准的场景。因此制备一种大功率、振动模式纯净、带宽大、损耗低、匹配性能更优的压电材料是优化设计超声换能器的核心。
[0004]压电性能更优的压电材料可通过两种或以上材料复合而达到。压电单晶有着优异的压电性能，有着极高的压电常数和机电耦合系数，它的各向异性使得大面积单晶也拥有较为纯净的振动模式；但缺点是密度和声阻抗较高，声学匹配性能较差，无法与人体组织和水进行较好的匹配。聚合物材料有着良好的柔性，密度低，质量轻，阻抗与空气、人体和水匹配，弹性柔顺系数比压电陶瓷大两个数量级；但缺点是压电系数和机电耦合系数非常小，不适合用于制作发射换能器，同时介电损耗大。所以，为了获得发射性能更为优秀的材料，我们需要将聚合物类和高性能压电材料进行复合，为了满足高发射性能换能器的制作需要，我们需要对PIN
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PMN
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PT压电单晶和EPO
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TEK环氧树脂301复合，通过调整压电晶片的体积分数和宽高比，制备得到性能高而稳定的压电复合材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种具有高压电常数、高机电耦合系数、低声阻抗、高制备成功率和性能稳定的2
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2型聚合物基压电复合材料及其制备方法。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种2
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2型聚合物基压电复合材料，包括作为功能相的压电材料和作为填充相的环氧树脂。多层压电材料与多层复合材料依次交替层叠；所述的压电材料采用PIMNT三元系压电单晶。所述的压电材料在复合材料中的体积分数为45％～55％。单层压电材料的宽高比为0.1～0.25。
[0007]作为优选，所述2
‑
2型聚合物基压电复合材料的厚度为2mm。
[0008]作为优选，PIMNT压电单晶，采取[001]方向极化；其压电常数d
33
＝1400pC/N。
[0009]作为优选，所述的环氧树脂采用EPO
‑
TEK 301。
[0010]作为优选，所述的压电材料在复合材料中的体积分数为50％；单层压电材料的宽高比为0.2。
[0011]第二方面，本专利技术提供该2
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2型聚合物基压电复合材料的制备方法如下：
[0012]首先，对压电单晶进行切割；切割完成后经过清洗和干燥进行灌胶；所述的灌胶操作是指将环氧树脂灌注到切割好的晶片缝隙中；在真空环境下，环氧树脂固化后，经过切割、打磨得到所需的2
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2型聚合物基压电复合材料。
[0013]作为优选，该2
‑
2型聚合物基压电复合材料的具体制备过程如下：
[0014]步骤一、切割PIMNT压电单晶：对压电单晶进行切割；将压电单晶固定在切割平台上，操作划片机对其进行划片操作。
[0015]步骤二、将切割好的压电单晶置于无水乙醇中浸泡后作干燥处理。
[0016]步骤三、配制环氧树脂胶水；取清洁干燥的烧杯分别加入质量配比为4:1的环氧树脂和固化剂，经过搅拌和超声波分散，得到稳定的含固化剂的环氧树脂胶水。
[0017]步骤四、取步骤三中所得的胶水，灌注至步骤二中所得的压电单晶中，真空干燥两小时，将所得复合材料气泡消除后。室温下固化后，得到复合材料。
[0018]步骤五、对步骤四制得的复合材料，使用磨床进行打磨、抛光、切割整形处理。
[0019]作为优选，步骤一中，使用精密划片机进行切割。
[0020]作为优选，步骤五中所得的复合材料呈厚度为2mm～4mm的块状。步骤五执行后，通过离子溅射仪在所得的复合材料的表面镀金电极，电极厚度为1nm～300nm。
[0021]作为优选，步骤五中所得的复合材料的形状规格为15
×
15
×
2mm。
[0022]第三方面，本专利技术提供前述复合材料用于作为超声材料使用，具体作为超声换能器发射探头的核心感应元器件。
[0023]本专利技术具有的有益效果是：
[0024]1.本专利技术采用EPO
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TEK 301环氧树脂作为聚合物基体，流动性和粘接力上佳而固化后硬度适中，同时密度较低，与压电单晶复合后可降低其声阻抗，大大提升声学匹配性能。此外，本专利技术优选体积分数为50％，宽高比为0.2，能够保证在有效保持复合材料高性能的同时，降低晶体断裂率，从而提高制备成功率。
[0025]2.本专利技术采用[001]方向极化的PIN
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PMN
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PT(PIMNT)三元系压电单晶作为压电材料，拥有较高的压电系数，使换能器灵敏度有效提高；较高的机电耦合系数，能有效提高换能器的工作带宽；较高的压电应变系数，能有效提高换能器的源级，这种单晶材料必然会为宽带高灵敏度成像换能器、宽带水声探测器、高应变超声驱动器等新型器件带来崭新的发展机遇
[0026]3.本专利技术所得复合材料的压电常数保持在d
33
>1000pC/N，机电耦合系数保持在k
t
>75％，其介电常数保持在εr≈1400的水平，声阻抗保持在Z<17Mrayl，各项性能保持在较高水平。实验证明，压电单晶宽高比的变动并不会对复合材料整体的性能产生过大的影响，可稳定地保持其各项性能，因此选择合适的宽高比调节切割参数，可大大提高样品的制备成功率。这种由PIMNT压电单晶与EPO
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TEK 301环氧树脂进行复合的2
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2型压电复合材料同时具有较高的压电常数、较大的机电耦合系数、较低的声阻抗、工作频率人为可控，可广泛地应用于超声换能器和医用超声探头等电子材料制备领域。
[0027]5.本专利技术采用真空干燥箱进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种2
‑
2型压电复合材料，包括作为功能相的压电材料和作为填充相的环氧树脂。其特征在于：多层压电材料与多层复合材料依次交替层叠；所述的压电材料采用PIMNT三元系压电单晶。所述的压电材料在复合材料中的体积分数为45％～55％。单层压电材料的宽高比为0.1～0.25。2.根据权利要求1所述的一种2
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2型压电复合材料，其特征在于：所述2
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2型聚合物基压电复合材料的厚度为2mm。3.根据权利要求1所述的一种2
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2型压电复合材料，其特征在于：PIMNT压电单晶，采取[001]方向极化；其压电常数d
33
＝1400pC/N。4.根据权利要求1所述的一种2
‑
2型压电复合材料，其特征在于：所述的环氧树脂采用EPO
‑
TEK 301。5.根据权利要求1所述的一种2
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2型压电复合材料，其特征在于：所述的压电材料在复合材料中的体积分数为50％；单层压电材料的宽高比为0.2。6.如权利要求1
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5中任意一项所述的一种2
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2型压电复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一、切割PIMNT压电单晶：对压电单晶进行切割；将压电单晶固定在切割平台上...

【专利技术属性】
技术研发人员：万瑶，李丽丽，汶飞，沈云聪，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：