【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高密度六边形压电复合材料及其制备方法和在超声换能器中的应用，属于压电复合材料。
技术介绍
1、血管内超声成像技术(ivus)是一种通过将微型导管插入动脉直接评估血管的形态特性，实时显示血管的截面图像，获取管壁的厚度、管腔大小和形状及截面积等信息，辨认各种病变，辅助并评价介入手术的医疗技术，在外周血管病诊疗和冠心病诊疗领域发挥重要作用。其中超声换能器作为血管内超声成像系统的核心组成部件，主要采用压电材料作为功能元件，但目前应用于血管内的超声换能器存在带宽窄，空间分辨率有限等问题。为了满足血管内高频超声成像100μm量级以下的分辨率的需求，目前高频血管内超声成像换能器的工作频率需达到20～80mhz，另外还需要满足大带宽、高灵敏度等要求，以同时实现高分辨率以及更清晰的对比度成像，因此血管内超声成像技术的核心在于制备出具有高压电系数、高机电耦合系数、高工作频率的压电材料。
2、目前国内传统的医疗换能器主要采用pb(zr1-xtix)o3(pzt)系列压电陶瓷作为压电材料，其声阻抗和机械品质因数过大、机电耦合系数较小，所制作的超声换能器的-6db带宽仅为55～60％，同时换能器灵敏度较低，进而影响了成像的分辨率和清晰度。将压电陶瓷制成1-3型压电复合材料可以有效的改善这些问题，1-3复合材料是一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物基体构成的。1-3复合材料由于其具有较低的声阻抗、较高的机电耦合系数、柔韧性好，利用其制备的超声换能器具有带宽大、分辨率高、灵敏度高、易于制备成特殊形状等优点而广泛地应用于超声
3、目前，传统1-3型复合材料制作方法有排列浇注法、切割填充法和脱模法等，但是由排列浇铸法制备的复合材料工作频率通常低于1mhz，由传统的切割填充法和脱模法制备的复合材料工作频率通常为1mhz～20mhz，难以达到血管内超声成像换能器工作频率20mhz～80mhz的要求。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种高密度六边形压电复合材料及其制备方法，并在此基础上制备应用频率为20～80mhz的高频超声换能器。
2、第一方面，本专利技术提供了一种高密度六边形压电复合材料，所述高密度六边形压电复合材料为1-3型压电复合材料，其组成包括：树脂填充相，以及阵列排布在树脂填充相内部的正六边形压电陶瓷柱。
3、由于常规的1-3型压电复合材料中压电相柱子为正方形或圆形截面，且体积分数较低，在工作频率大于20mhz的时复合材料会产生横波效应，其原因主要是柱内横向共振和柱间周期性振动引起的杂散模式的干扰，在厚度模式附近存在强耦合聚合物共振会显著降低机电耦合和有效速度，从而降低复合材料谐振处的振动能量，进而导致复合材料的声电转换效率下降，同时还会影响换能器的工作频率范围。
4、为了消除横波效应对高频高密度压电复合材料的主振动频率影响，本专利技术提出一种兼具体积比和纯振动频谱的高频复合材料，通过改变复合材料中压电相的形貌进而改变复合材料中压电相的柱间距与排列方式，制备出一种高密度六边形压电复合材料来使材料中的横向振动模式远离厚度振动模的频率范围，从而抑制复合材料中的横波效应带来的影响。
5、较佳的，所述正六边形压电陶瓷柱的边长不超过50μm；相邻正六边形压电陶瓷柱的中心距离不超过150μm；所述环氧树脂填充相的宽度不超过70μm。若是正六边形压电陶瓷柱的边长过长，则会使得陶瓷柱宽高比过高，复合材料厚度振动模式不纯粹。若是正六边形压电陶瓷柱的中心距离过长，则复合材料中陶瓷住体积分数过低，复合材料压电性能下降。
6、又，较佳的，所述正六边形压电陶瓷柱边长为5μm～70μm；相邻正六边形压电陶瓷柱的中心距离为22μm～150μm；所述环氧树脂填充相的宽度为5μm～10μm。
7、较佳的，所述高密度六边形压电复合材料中正六边形压电陶瓷柱的体积分数为40％～70％。
8、较佳的，所述正六边形压电陶瓷柱的侧面棱与水平方向上的倾角不低于85°。
9、较佳的，所述树脂填充相的材质选自环氧树脂、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶和聚偏氟乙烯中的一种。
10、较佳的，所述正六边形压电陶瓷柱的材质选自pzt陶瓷、pmn-pt陶瓷和bt陶瓷中的一种；优选地，所述正六边形压电陶瓷柱的晶粒大小为2～5μm。
11、第二方面，本专利技术提供了一种高密度六边形压电复合材料的制备方法，将压电材料进行切割后再填充树脂材料，再经极化处理后得到；
12、优选地，所述切割的方法为飞秒激光光刻法、深反应离子刻蚀法或机械切割法；
13、优选地，所述极化处理为：在硅油环境中，80～100℃下，施加2～3kv/mm的直流电压保压20～30分钟。
14、第三方面，本专利技术提供了一种高频超声换能器，所述高频超声换能器的结构由上到下依次包括：发射面、匹配层、高密度压电层和背衬层；所述高密度压电层由上述高密度六边形压电复合材料制备得到；；
15、优选地，所述高密度压电层包括：高密度六边形压电复合材料、设置在高密度六边形压电复合材料两侧表面的信号电极面；
16、更优选地，所述高密度六边形压电复合材料厚度为20μm～80μm，所述高密度压电层的总厚度为20μm～82μm。
17、较佳的，所述发射面的厚度为40μm～100μm；所述发射面的材质为聚二甲基硅氧烷(pdms)、环氧树脂和有机玻璃中的至少一种。
18、较佳的，所述匹配层的厚度为6μm～24μm；所述匹配层的材质选自聚对二甲苯(parylene)、金、掺杂金属氧化物的环氧树脂和高密度聚乙烯中的至少一种。
19、较佳的，所述背衬层的厚度为0.1mm～0.5mm；所述背衬层的材质选自e-solder3022导电环氧胶和掺杂重金属元素的环氧树脂中的至少一种；
20、较佳的，所述超声换能器的应用频率为20～80mhz。
21、有益效果：
22、本专利技术提供了一种高密度六边形压电复合材料的超声换能器，利用切割填充法得到了高密度六边形压电复合材料作为压电层中的压电材料，实现了复合材料的精密加工，使其达到了微米级的尺寸要求，同时具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗,并且抑制了横波效应对复合材料的影响；本专利技术制备的换能器具有高工作频率、小体积和高发射响应等优势。本专利技术可以应用于介入医疗如血管内超声成像中。
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1.一种高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述高密度六边形压电复合材料为1-3型压电复合材料，其组成包括：树脂填充相，以及阵列排布在树脂填充相内部的正六边形压电陶瓷柱；所述正六边形压电陶瓷柱边长不超过50μm；相邻正六边形压电陶瓷柱的中心距离不超过150μm；所述环氧树脂填充相的宽度不超过70μm。
2.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述正六边形压电陶瓷柱边长为5μm～50μm；相邻正六边形压电陶瓷柱的中心距离为22μm～150μm；所述环氧树脂填充相的宽度为5μm～70μm。
3.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述高密度六边形压电复合材料中正六边形压电陶瓷柱的体积分数为50%～70%。
4.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述正六边形压电陶瓷柱的侧面棱与水平方向上的倾角不低于85°。
5.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述树脂填充相的材质选自环氧树脂、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶和聚偏氟乙烯中的一种。
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7.一种权利要求1-6中任一项所述的高密度六边形压电复合材料的制备方法，其特征在于，将压电材料进行切割后再填充树脂材料，再经极化处理后得到；
8.一种高频超声换能器，其特征在于，所述高频超声换能器的结构由上到下依次包括：发射面、匹配层、高密度压电层和背衬层；所述高密度压电层由权利要求1-6中任一项高密度六边形压电复合材料制备得到；
9.根据权利要求8所述的高频超声换能器，其特征在于，所述发射面的厚度为40μm～100μm；所述发射面的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧树脂和有机玻璃中的至少一种；
10.根据权利要求8或9所述的高频超声换能器，其特征在于，所述超声换能器的应用频率为20～80 MHz。
...【技术特征摘要】
1.一种高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述高密度六边形压电复合材料为1-3型压电复合材料，其组成包括：树脂填充相，以及阵列排布在树脂填充相内部的正六边形压电陶瓷柱；所述正六边形压电陶瓷柱边长不超过50μm；相邻正六边形压电陶瓷柱的中心距离不超过150μm；所述环氧树脂填充相的宽度不超过70μm。
2.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述正六边形压电陶瓷柱边长为5μm～50μm；相邻正六边形压电陶瓷柱的中心距离为22μm～150μm；所述环氧树脂填充相的宽度为5μm～70μm。
3.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述高密度六边形压电复合材料中正六边形压电陶瓷柱的体积分数为50%～70%。
4.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述正六边形压电陶瓷柱的侧面棱与水平方向上的倾角不低于85°。
5.根据权利要求1所述的高密度六边形压电复合材料，其特征在于，所述树脂填充相的材质选自环氧树脂、聚氨...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁瑞虹，李佳楠，岳晴雯，程东旭，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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