[发明专利]1‑3型压电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料及其制备领域，特别涉及一种温度稳定性高，尤其是谐振频率温度稳定性优良的1-3型压电复合材料及其制备方法。

背景技术

虽然在近三十年内可再生能源技术获得了长足发展，但是工程界与学术界普遍认为，在今后数十年内化石燃料仍将是主要的能源来源。因此，石油行业一直致力于加强勘探开发工作以满足能源需求的快速增长。运用高科技手段进行深部油气资源开发，提升石油资源勘探范围与能力越来越受到重视。声波测井技术通过发射声波并对回波进行接收分析，从而对油井进行评价，是应用最广泛的现代测井方法之一。压电换能器是声波测井仪器的关键部件，随着现今油井深度加深，井底温度提高，这对声波测井压电换能器中压电材料的性能和稳定性提出了更高的要求。

1-3型压电复合材料相对于传统的锆钛酸铅陶瓷（简写为PZT）材料，具有高各向异性、高机电耦合系数和水声优值、低声阻抗等诸多优点，在水声和超声领域有着广泛的应用。其相关换能器通过电-声转换进行声波的发射和接收，可实现通信、探测、识别、成像的功能。

在声波测井应用中，压电器件需要在从室温～50℃或者更高的环境温度下工作。随环境温度的改变，压电材料的压电、介电性能都会发生变化，其中一个重要的变化是谐振频率的漂移。一般认为引起PZT陶瓷谐振频率漂移的原因是陶瓷受热导致的三方-四方相转变以及90°畴反转，而通过改变锆钛比、掺杂以及控制烧结和极化条件等方法可以调节其谐振频率温度系数。对1-3型压电复合材料，一般认为引起其谐振频率漂移的原因是树脂受热变软，但是调节其谐振频率温度系数的方法尚未见报道。由于压电换能器一般在其谐振频率附近工作，如果谐振频率发生漂移将影响其与外电路的匹配，从而造成换能器性能下降。

发明内容

为了解决了常规1-3型压电复合材料谐振频率随温度漂移较大的缺陷，本发明的目的在于提供一种谐振频率温度稳定性优良（在室温～150℃温度范围内谐振频率温度系数接近0）的1-3型压电复合材料及其制备方法，以使其能用于高温声波测井等领域。而理想的满足宽温服役要求的1-3型压电复合材料，其谐振频率温度温度系数应满足谐振频率温度系数的绝对值，即、|TCF|＜1×10^-4/℃。

在此，一方面，本发明提供一种1-3型压电复合材料，所述压电复合材料中的一维陶瓷相由具有正谐振频率温度系数的锆钛酸铅陶瓷组成，三维聚合物相由高玻璃化转变温度的树脂组成，所述锆钛酸铅陶瓷在室温至200℃的温度范围内的谐振频率温度系数为1.0～4.0×10^-4/℃，所述树脂的玻璃化温度为150℃以上，所述压电复合材料中锆钛酸铅陶瓷所占的体积比为40～80%，优选50～75%。

本发明通过对具有正谐振频率温度系数的PZT陶瓷（在室温至200℃的温度范围内的谐振频率温度系数为1.0～4.0×10^-4/℃）和具有高玻璃化转变温度（150℃以上）的环氧树脂进行1-3复合，并且调整陶瓷相体积分数（锆钛酸铅陶瓷所占的体积比为40～80%），获得了可在150℃稳定使用，且谐振频率温度系数接近零，综合性能优异的1-3型压电复合材料，有望用于高温声波测井领域，满足高温声波测井应用的迫切需求。

本发明的压电复合材料在室温至200℃的温度范围内的谐振频率温度系数的绝对值小于1×10^-4/℃。本发明提供的1-3型压电复合材料满足宽温服役要求。

较佳地，所述锆钛酸铅陶瓷的居里温度为300℃以上。

较佳地，所述树脂是在室温至150℃的温度范围内的平均线膨胀系数低于8×10^-5/℃的环氧树脂。

另一方面，本发明还提供一种制备上述1-3型压电复合材料的方法，包括：在垂直于极化轴的锆钛酸铅陶瓷的表面沿两个互相垂直的方向切割所述锆钛酸铅陶瓷，得到由未切穿的陶瓷底板和其上的多列陶瓷小方柱组成的陶瓷骨架；清洗并干燥所述陶瓷骨架后，向其注入所述树脂，抽真空去除其中气泡；以及按照规定的固化程序使所述树脂完全固化后磨去多余部分、然后在进行表面处理后上电极。

本发明选择了一种居里温度较高、谐振频率温度系数为正的PZT陶瓷作为压电功能相，并选择了一种玻璃化温度较高、固化收缩较低的环氧树脂作为高聚物基体；改进了常规1-3型压电复合材料的制备工艺，使树脂固化更为充分，同时进一步降低在较高温度下固化时陶瓷相与高聚物相之间收缩不匹配形成的内部残余应力。

较佳地，所述规定的固化程序可包括3段以上的固化程序段，且每段升温速率低于3℃/分钟。