[发明专利]一种压电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电复合材料，尤其涉及的是，一种多层压电复合材料及其制备方法。

背景技术

超声换能器被广泛地应用于生物医学图像、诊断和治疗，工业无损检测(探伤)以及水下声纳等方面。超声换能器通常采用具有压电效应的压电材料，能够将机械能转换为电能，或者将电能转换为机械能。压电超声换能器可以采用单层或多层的形式方式。多层压电超声换能器采用相邻层的极化方向相反，各层之间通过机械结构串联和电路结构并联的方式组合而成。与同样厚度的单层结构相比，多层压电超声换能器具有与层数的平方成比例降低的阻抗，在给定的电激励信号条件下具有与层数成比例增加的机械响应输出，同时，通过改变多层结构的各层厚度，多层压电超声换能器具有更宽的频率带宽响应。

通常被广泛应用于超声换能器的压电晶体材料，包括压电陶瓷和压电单晶等材料具有高机电耦合系数和介电常数，可以有效地将电能和机械能互相转换，也容易与相关的系统电路进行电子匹配。然而，压电晶体材料同时具有的很高的声学阻抗，往往很难与人体组织、水和空气等低声学阻抗的媒质很好地匹配。压电复合材料将压电晶体材料和聚合物材料以一定的体积或重量比例和一定的空间结构分布复合起来，形成兼具压电晶体材料高压电性能和聚合物材料低声学阻抗的优点的新型材料。压电复合材料压电性能非常均匀，声学阻抗很低，重量轻，能够制成曲型结构。压电复合材料的超声换能器具有很高的机电转换效率，很宽的频率带宽，高灵敏度和信噪比。

压电复合材料中压电晶体和聚合物的不同组合方式，决定着其不同的特性。在压电晶体和聚合物组合比例给定的条件下，它们的空间组合结构决定着压电复合材料的性能。根据Newnhan的定义，压电复合材料可以按照压电晶体材料和聚合物的连通方式进行分类。“连通性”的基本思想是：混合物中任何相在零维、一维、二维或三维方向上是相互连通的，因而任意弥散和孤立颗粒的连通性为0，而包围它们的介质在三维方向上是连通的。若混合物是由两种不同的“平板”相堆积而成的，则体系的连通性可认为是2-2。通常由两相组成的混合物可能有10种连通方式，包括0-0，1-0，2-0，3-0，1-1，2-1，3-1，2-2，3-2，3-3。

被广泛应用的典型的压电复合材料是1-3型。1-3型复合材料由被聚合物材料包围的若干个柱型压电晶体单元组成，1-3型压电复合材料是由一维连通的压电相平行排列于三维连通的聚合物中形成的，该材料中的压电晶体材料只在一维连通，聚合物材料则是三维连通。1-3型复合材料具有极低的侧向振动模式和较高的机电耦合系数。

然而，在制造多层超声换能器的过程中，采用典型的1-3型压电复合材料会遇到相邻层的相互对位的问题。相邻层相互对位不准确的问题常常会极大影响多层超声换能器的性能，降低换能器的机电耦合系数以及输出信号幅度，同时带来其它多余的不需要的振动模式。由于多层结构的超声换能器的各层通常是分别加工，因此在加工多层超声换能器的过程中保持相邻层的整体准确对位并同时保证在各层中间的压电晶体柱状结构与相邻层中间的压电晶体柱状结构准确对位是非常困难的。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是由于多层1-3型压电复合材料的结构缺陷，导致在制造过程中，相邻层相互对位不准确的问题

本发明的技术方案如下：

一种压电复合材料，其包括压电材料和填充物；其中，其包括至少两层压电材料，其中，根据各层压电材料的极性，相邻层压电材料反向设置；各层压电材料三维连通设置，所述填充物一维连通设置；在所述压电复合材料的各工作面，分别设置工作面电极；在平行于所述压电复合材料工作面的截面中，所述压电材料以规则条形组合的形式连通设置，所述填充物隔离设置。

所述的压电复合材料，其中，各层压电材料的相邻面分别设置相邻面电极。

所述的压电复合材料，其中，分别在各层压电材料所述相邻面的侧面，设置与该层压电材料的相邻面电极相连接的侧面电极。

所述的压电复合材料，其中，所述规则条形组合中，所述规则条形至少包括以下形状其中之一：矩形、椭圆形、三角形、弧形；所述组合至少包括以下形状其中之一：C形、I形、N形、S形、U形、V形。

所述的压电复合材料，其中，所述工作面至少包括以下形状其中之一：圆形、椭圆形、三角形、平行四边形。

所述的压电复合材料，其中，各层压电材料形状相同，粘接设置，合计占总体积的15％至85％。