一种耐高温双层压电复合材料元器件制备方法技术

本发明专利技术属于压电材料及其制备技术领域，主要是提供了一种耐高温双层压电复合材料元器件制备方法，用于水声、医用超声、工业超声等方面。该方法通过将压电材料元件采用特定方式进行切割后，在高温条件下进行聚合物的灌注和固化，制备的元器件可以工作在高温条件下，避免了常温固化元器件在高温工作时会产生较大形变。制备的元器件主要包含两部分，分布在两端，一端是单相压电材料，单相压电材料为原材料未切割端面部分，电极层保持不变；另一端通过切割和灌注等工序得来的是1-3型压电复合材料，电极层由压电材料颗粒原电极层和新制备的综合而成。本发明专利技术有益的效果：制备方法过程简便，所得元器件性能可控，随温度变形量小，可靠性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及功能材料及其制备
，主要是一种耐高温双层压电复合材料元 器件制备方法。
技术介绍
压电复合材料是指由至少一种压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式 组合在一起而构成的一种具有压电效应的新材料。这种新材料集中了各相材料的优点，或 者具有各相材料的折中效果，因此自问世以来，得到了广泛的研究和应用。压电材料的发展是曲折的。19世纪80年代居里兄弟首先在石英晶体上发现压电 效应，至20世纪50年代人们开发出以锆钛酸铅(PZT)为代表的压电陶瓷。这类材料具有 压电性能好，机电耦合系数高等特点，广泛用于电声、水声和超声领域，如压电振子、压电点 火装置、压电变压器、压电滤波器等。但由于压电陶瓷的密度及弹性模量都较大、静水压压 电常数小，制作的换能器抗冲击性能差、较重、不易与空气和水匹配，难以满足水听器和医 学换能器的要求。20世纪70年代，以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的高分子压电材料化学 性能稳定，柔顺性好，可制造大面积且均勻的薄膜，其声阻抗易于与水及生物体的声阻抗匹 配，可广泛用于超声换能器、水声换能器、生物传感器、热释电器件等，但其压电常数和机电 耦合系数小，工作范围窄。为了开发性能更好的水声传感器和生物医学超声器件，人们试图寻找一种兼有陶 瓷和聚合物两者优点，并能抑制各自缺点的新材料，从而开始了陶瓷一聚合物压电复合材 料的研究。到20世纪末已相继研制成功1-3型、3-1型、3-2型、3-3型、0_3型、2_2型以及 月牙和帽状结构的复合材料，其性能较压电陶瓷有大幅度提高。虽然各种压电复合材料的 性能因其组成和连通结构不同，差异甚大，但它们都具有以下优点1、声阻抗小，易于与水 和生物组织匹配；2、机电耦合系数高，能有效地实现不同能量形式之间的转换；3、柔软，能 方便地做成各种形状，尤其用于制作B超的凸阵探头时，加工特别方便；4、较低的机械Q值， 脉冲回波信号带宽宽，适于制作宽带换能器；5、较高的静水压压电常数，即dh · gh比PZT的 高得多，非常适合作水声器件。0-3型和1-3型制作成本较其它型压电复合材料低，因此这 两类材料发展迅速，己形成实用化商品，成为目前研究最多、最深入、应用最广泛的一种压 电复合材料。1-3型压电复合材料的切割填充法流程如图1所示，其制作工艺简单，易于控制， 成品的重复性好，可大量制备，多为商界生产厂家所采用，是目前用于医学超声的1-3型压 电复合材料最主要的制备方法。用高速旋转的金钢砂轮在垂直于极化方向的压电陶瓷面 上，沿χ方向切割，灌注环氧树脂，再沿Y方向切割，灌注环氧树脂，除去未切通的部分，重新 制备电极后制成1-3型压电复合材料。采用上述方法制作出来的1-3型压电复合材料的两面电极都需重新制备，一般采 用低温真空蒸馏法，该种方法制作的电极与复合材料粘接度并不高，且不宜进行高温导线 焊接。
技术实现思路
本专利技术的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种耐高温双层压电复合材料 元器件制备方法，可以用于水声、医用超声、工业超声等方面。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案这种耐高温双层压电复合材料元器件制 备方法，包括如下步骤(1)、在原压电材料元件垂直于极化方向的一个端面上，切割出双层压电复合材料 坯体，坯体由两部分组成，一部分是原压电材料元件未切割的端面部分，另一部分是切割形 成的压电材料颗粒呈并行周期排列；O)、将双层压电复合材料坯体放置于灌注模具内，配置并灌注聚合物后进行加压 固化；灌注处理和加压固化过程都是在60°c 80°C之间的环境中进行，灌注模具带有加压 装置，待聚合物灌注后，在灌注端面上加压，压力范围在0. 5MPa 3MPa内，使得压电陶瓷颗 粒电极层不被聚合物覆盖，聚合物固化时所加的压力可防止复合材料因聚合物固化收缩引 起的形变。(3)、聚合物固化后，在端面上制备新的电极层，得到双层压电复合材料。作为优选，在制备过程中聚合物应先后进行两次除气泡处理，每次持续时间不短 于10分钟，首先在聚合物配置容器中进行抽真空除气泡，灌注完毕后再进行一次抽真空除 气泡，在60°C 80V高温下进行。作为优选，聚合物固化后，将切割端面的一层薄聚合物去除，并将原电极打毛，采 用磁控溅射镀膜技术制作新电极层，新电极层与原电极层紧密结合。作为优选，切割缝内的填充聚合物，聚合物可以是任意高分子材料，常用为环氧树 脂、聚氨酯或者橡胶材料，还可添加相关填料进行混合，用以改善聚合物特性，填料的颗粒 直径不大于100目，聚合物的初始状态是液态，在60°C 80°C之间的高温下通过一定的化 学反应而固化。作为优选，在切割原压电材料元件时，所有切割深度一致。本专利技术有益的效果是该双层压电复合材料通过将压电材料元件采用特定方式 进行切割后，在60°C 80°C高温条件下进行环氧树脂、聚氨酯或者橡胶等高分子材料的灌 注，并通过加压的方式固化得来，压力范围在0. 5MPa 3MPa内，采用该方法得来的元器件 可以工作在固化温度的上下某一范围内(0°C 120°C )，从而避免了常温固化元器件在高 温工作时会产生较大形变，并且由于压力的存在，端面的聚合物被挤出，从而两端原电极都 可延用。得到的元器件主要包含两部分，分布在两端，一端是单相压电材料，单相压电材料 为原材料未切割端面部分，电极层保持不变；另一端通过切割和灌注等工序得来的是1-3 型压电复合材料，电极层由压电材料颗粒原电极层和新制备的综合而成。本专利技术提供的双 层压电复合材料元器件主要特点是制作简便，性能可控，两端电极层都可通过高温导线焊 接引线，可靠性高。附图说明图1是现有技术的1-3型压电复合材料制作流程图；图2是本专利技术的双层压电复合材料制作流程图3双层压电复合材料元器件制作工序图；图4压电元件切割前后示意图；图5双层压电复合材料元件导纳曲线图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明本专利技术所述的这种耐高温双层压电复合材料元器件制备方法，具体流程如图2所 示，包括如下步骤在原压电材料元件垂直于极化方向的一个端面上，切割复合材料坯体，坯体由两 部分组成，一部分是原压电材料元件未切割的端面部分，另一部分是切割形成的压电材料 颗粒呈并行周期排列；将双层压电复合材料坯体放置于特制的灌注模具内，配置并灌注聚 合物后，聚合物可以是环氧树脂、聚氨酯或者橡胶等高分子材料，在60°C 80°C高温下进 行加压固化，压力范围在0. 5MPa 3MPa内；聚合物固化后，在端面原有电极的基础上制备 新的电极层，得到双层压电复合材料。本专利技术提供的制备方法，双层压电复合材料元器件的 灌注处理和加压固化过程都是在60°C 80°C之间的环境中进行，采用高温加压固化方式 制成，即灌注模具带有加压装置，待高分子聚合物灌注后，在灌注端面上加压，压力范围在 0. 5MPa 3MPa内，使得压电陶瓷颗粒电极层不被高分子聚合物覆盖，且聚合物固化时所加 的压力可防止压电材料因聚合物固化收缩引起的材料形变。在制作过程中聚合物应先后进 行两次除气泡处理，首先在聚合物配置容器中进行抽真空除气泡，灌注完毕后再进行一次 抽真空除气泡，每次时间不短于10分钟，在60°C 80°C高温下进行。对固化后的切割端面 采用磁控溅射镀膜制作电极层，新电极层与压电材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种耐高温双层压电复合材料元器件制备方法，其特征是：包括如下步骤：（１）、在原压电材料元件垂直于极化方向的一个端面上，切割出双层压电复合材料坯体，坯体由两部分组成，一部分是原压电材料元件未切割的端面部分，另一部分是切割形成的压电材料颗粒呈并行周期排列；（２）、将双层压电复合材料坯体放置于灌注模具内，配置并灌注聚合物后进行加压固化，灌注处理和加压固化过程都是在６０℃～８０℃之间的环境中进行，待聚合物灌注后，在灌注端面上加压，压力范围在０．５ＭＰａ～３ＭＰａ内；（３）、聚合物固化后，在端面上制备新的电极层，得到双层压电复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，徐平，朱学文，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：86