一种压电复合材料共型基阵及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种压电复合材料共型基阵及其制备方法，属于压电材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种压电复合材料共型基阵及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种压电复合材料共型基阵及其制备方法，属于压电材料

。

技术介绍

[0002]超声换能器是一种实现电声信号相互转换的传感器，按照工作机理来划分可分为压电式
、
电磁式
、
电容式等多种器件类型
。
在这些换能器类型中，压电换能器因具备高性能
、
高稳定性
、
易加工和低成本而备受声学工作者的青睐，目前已广泛应用于无损检测
、
海洋勘探
、
医学成像等研究领域
。
换能器基阵
(
又称换能器阵列
)
是由若干个换能器单元按照一定几何结构排布形成的，目前多以手工定位的方式进行拼接组阵，按照实用需求可按线阵
、
球面阵
、
弧形阵
、
柱面阵等几何结构进行排布，以满足换能器基阵的大功率发射
、
高聚焦精度
、
大波束开角等声学指标
。
虽然传统换能器组阵技术可以满足多种应用场景，但是其制备工艺复杂
、
耗时久
、
成品率低
、
阵元一致性差
、
体积庞大等问题一直是相关研究者着力改进的重点
。
此外，在水声探测领域，随着
UUV、
水下机器人等技术的普及和应用，开发出小型化
、
适应多种曲面壳体结构的换能器基阵也是当前亟待解决的问题
。
[0003]压电复合材料是制作声学换能器的常用敏感材料，通常采用1‑3连通结构
。
它是由一维线性排列的压电相和三维连通的聚合物相复合而成两相换能材料，具有突出的厚度振动模
、
低声阻抗
、
高机电耦合系数等多种优良性能，现广泛用于换能器敏感元件的研制
。
而目前用于超声换能器的压电复合材料多由硬质压电陶瓷和刚性环氧树脂制作，其整体为一个不可控基元，在结构上多为平面设计，难以满足复杂曲面的应用需求
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有换能器基阵中压电复合材料难以成型曲面
、
换能器阵安放空间大
、
制备周期长的问题，提供一种压电复合材料共型基阵及其制备方法，本专利技术采用1‑3连通型的压电复合材料作为母体，一体成型曲面换能器基阵，不仅能解决现有换能器基阵工艺复杂
、
耗时久
、
基元一致性差等问题，还可以实现基阵的小型化和共型弯曲双重功效，使换能器基阵易于满足多种曲面应用的需求
。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]一种基于压电复合材料的共型基阵，其结构包括压电复合材料基元
、
橡胶网状框架
、
电极层
、
柔性电路板和背衬层
。
[0007]进一步地，所述压电复合材料基元由压电材料和刚性聚合物复合制成，刚性聚合物可以让基元存在一定刚性，使其具备较高的发射性能和抗外压能力，同时也可让复合材料的振动模态集中于厚度方向，进而满足换能器的大功率发射条件
。
在另一优选例中，所述压电材料可选用高性能
PZT
系列压电陶瓷或压电单晶，这类压电材料机电耦合系数和压电系数均较高，可使制备的换能器具备高灵敏度接收和大功率发射性能；在另一优选例中，所述刚性聚合物可采用
E51
或
EP2115
类环氧树脂材料，可以加强所述压电复合材料基元的稳定性
。
[0008]进一步地，所述橡胶网状框架被嵌于压电复合材料基元四周，用于成型曲面共型基阵，由于橡胶具备高弹性，因此所述共型基阵可应用在多种曲面壳体结构上
。
在另一优选例中，所述橡胶网状框架可采用
704
或
705
硅橡胶材料进行制备，这两种型号的硅橡胶材料具有都良好的黏合性和弹性，不仅可将所述压电复合材料基元牢牢固定，而且还可以使基阵整体适应多种曲面壳体结构
。
[0009]进一步地，所述电极层包含底电极层和顶电极层，二者被均匀覆盖于所述共型基阵的上下表面，其中底电极层为阵列电极，所述阵列电极与所述柔性电路板的金属电极贴合，顶电极层连接所有压电复合材料基元的顶面
。
[0010]进一步地，所述柔性电路板包含阵列金属电极
、
柔性引线和封装层
。
所述阵列金属电极的尺寸应与所述共型基阵下表面的阵列电极相当，以保障各基元阵列电极与所述阵列金属电极紧密贴合；所述柔性引线用于连接所述阵列金属电极，以达到所述共型基阵的基元可控；所述封装层采用聚酯材料为基材进行制作，可以有效将所述封装层的引线与外界隔离开，具有绝缘性好
、
弯折性好
、
厚度薄等特点
。
[0011]进一步地，背衬层选用声阻抗较高的材料制作，在结构上为一个曲面实体，与所述底电极层固定连接，起到支撑所述共型基阵和吸收杂波的作用
。
所述背衬层可制成柱面
、
弧面
、
球面等多种曲面结构，能使所述共型基阵弯曲贴合成型曲面
。
[0012]本专利技术根据两种不同的应用场景，给出了两种压电复合材料共型基阵的制备方法，具体如下：
[0013]第一，一种压电复合材料共型基阵的制备方法，其特征在于：制备的共型基阵为压电复合材料曲面共型基阵，适用于小型超声换能器；具体步骤如下：
[0014]步骤一
、
制备共型基阵骨架；将压电材料板固定于切割机样品台，沿指定方向对材料进行切割，并保留一定厚度的材料基底，制成共型基阵骨架；
[0015]步骤二
、
制备橡胶压电复合材料；取步骤一中的共型基阵骨架清洗后晾干，向所述骨架缝隙中注入液态橡胶，抽真空并固化，得到稳定的橡胶网状框架；所述共型基阵的每一个基元被整齐分割并定位在每一个橡胶网状框架的网格中，形成橡胶压电复合材料
。
[0016]步骤三
、
制备微型压电复合材料基元骨架；将步骤二的橡胶压电复合材料的上下表面打磨平整后固定于激光切割机的样品台，控制激光烧刻形成微型压电复合材料基元骨架；
[0017]步骤四
、
制备微型压电复合材料基元；将步骤三制备的微型基元骨架用丙酮液冲洗后晾干；配置一定质量的环氧树脂胶液，灌注于微型基元骨架的烧刻缝隙中，静置固化后去除残余环氧树脂杂质，得到压电
‑
环氧为组成相的微型压电复合材料基元；
[0018]步骤五
、
制备底电极层；打磨压电材料基底，将镂空掩膜按微型压电复合材料基元规模轻轻贴合后被电；撤去本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种压电复合材料共型基阵，其特征在于：其结构包括压电复合材料基元
、
橡胶网状框架
、
电极层
、
柔性电路板和背衬层；所述压电复合材料基元和橡胶网状框架平行连接，构成压电复合材料共型基阵；所述电极层包含底电极层和顶电极层，二者被均匀覆盖于所述共型基阵的上下表面，其中底电极层为阵列电极，所述阵列电极与所述柔性电路板的金属电极贴合，顶电极层连接所有压电复合材料基元的顶面；所述柔性电路板包含阵列金属电极
、
柔性引线和封装层；所述阵列金属电极的尺寸应与所述共型基阵下表面的阵列电极相当，以保障各基元阵列电极与所述阵列金属电极紧密贴合；所述柔性引线用于连接所述阵列金属电极，以达到所述共型基阵的基元可控；所述背衬层由声阻抗较高的硬质材料制成，在结构上为一个曲面实体，与所述底电极层固定连接，用于实现所述压电复合材料共型基阵曲面成型
。2.
如权利要求1所述一种压电复合材料共型基阵，其特征在于：压电复合材料基元由压电材料和刚性聚合物复合制成；所述压电材料选用高性能
PZT
系列压电陶瓷或压电单晶；所述刚性聚合物可采用
E51
或
EP2115
类环氧树脂材料；所述橡胶网状框架采用
704
或
705
硅橡胶材料；所述封装层采用聚酯材料；背衬层选用声阻抗较高的材料；所述背衬层可制成曲面结构，能使所述共型基阵弯曲贴合成型曲面
。3.
制备如权利要求1所述压电复合材料共型基阵的方法，其特征在于：制备的共型基阵为压电复合材料曲面共型基阵，适用于小型超声换能器；制备方法包括如下步骤：步骤一
、
制备共型基阵骨架；将压电材料板固定于切割机样品台，沿指定方向对材料进行切割，并保留一定厚度的材料基底，制成共型基阵骨架；步骤二
、
制备橡胶压电复合材料；取步骤一中的共型基阵骨架清洗后晾干，向所述骨架缝隙中注入液态橡胶，抽真空并固化，得到稳定的橡胶网状框架；所述共型基阵的每一个基元被整齐分割并定位在每一个橡胶网状框架的网格中，形成橡胶压电复合材料；步骤三
、
制备微型压电复合材料基元骨架；将步骤二的橡胶压电复合材料的上下表面打磨平整后固定于激光切割机的样品台，控制激光烧刻形成微型压电复合材料基元骨架；步骤四
、
制备微型压电复合材料基元；将步骤三制备的微型基元骨架用丙酮液冲洗后晾干；配置一定质量的环氧树脂胶液，灌注于微型基元骨架的烧刻缝隙中，静置固化后去除残余环氧树脂杂质，得到压电
‑
环氧为组成相的微型压电复合材料基元；步骤五
、
制备底电极层；打磨压电材料基底，将镂空掩膜按微型压电复合材料基元规模轻轻贴合后被电；撤去掩膜形成阵列底电极层；步骤六
、
压模成型曲面共型基阵；取柔性电路板与所述共型基阵的阵列底电极对齐后用导电胶粘连，在高温下
150℃
进行烘干固化；再将导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金英，王嘉程，史亦凡，李世豪，韩学磊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：