[发明专利]基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于改进聚合物相的1‑3型压电复合材料及其制备方法。该压电复合材料通过采用环氧树脂与硅橡胶等聚合物构成的夹心式结构来改进聚合物相材料，以减小其对压电柱振动的影响，继而提高复合材料整体的机电耦合系数。本发明用有限元分析工具仿真了这种新型压电复合材料的谐振频率、声速、机电耦合系数和特性阻抗随硅橡胶体积百分比的变化关系，根据仿真结果制备了压电复合材料，并对其性能进行了测试，结果表明实验与仿真基本吻合，复合材料的机电耦合系数比常规的1‑3型复合材料提高11％。本发明的改进聚合物相的1‑3型压电复合材料非常适用于制造具有高机电转换效率的压电复合材料换能器。

技术领域

本发明属于压电复合材料技术领域，具体涉及一种基于改进聚合物相的1-3型压电复合材料及其制备方法。

背景技术

1-3压电复合材料是由一维连通的压电相周期性分布于三维连通的聚合物相中形成的一种由两相材料构成的压电复合材料。由于其具有高的厚度机电耦合系数，较低的机械品质因素和声阻抗，已被广泛研究并应用于水声换能器、超声探测、生物医学成像等领域。

Rouffaud等人(Rouffaud R,Levassort F,Pham T M,et al.Super-CellPiezoelectric Composite With 1-3 Connectivity.[J].IEEE Transactions onUltrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2016,63(12):2215-2223.)在1-3型压电复合材料中引入了用于声子晶体的超单元结构的概念，研制了1-3型超单元压电复合材料，提高了压电复合材料的工作带宽。He等人(He C,Wang Y,Lu Y,et al.Design andFabrication of Air-Based 1-3 Piezoelectric Composite Transducer for Air-Coupled Ultrasonic Applications[J].Journal of Sensors,2016,2016(6):1-11.)利用3D打印技术，设计了一种空气基1-3型压电复合材料，其机电耦合系数达0.7左右。Liu等人(Liu D,Yue Q,Deng J,et al.Broadband and High Sensitive Time-of-FlightDiffraction Ultrasonic Transducers Based on PMNT/Epoxy 1–3 PiezoelectricComposite.[J].Sensors,2015,15(3),6807-6817.)研制了一种PMNT/epoxy 1-3型压电复合材料，其机电耦合系数可以达到0.857左右。Qin等(Xuhui Mi,Lei Qin*,Qingwei Liao,Likun Wang,Electromechanical coupling coefficient and acoustic impedance of1-1-3 piezoelectric composites,Ceramics International 43(2017),7374–7377.)人研制了一种1-1-3型压电复合材料，基于压电陶瓷的复合材料机电耦合系数可以达到0.69。基于弛豫铁电单晶的1-1-3型压电复合材料，机电耦合系数可以达到0.89(Qin L,Wang LK,Long D,et al.The study of 1-1-3 piezoelectric composite based on relaxorferroelectric single crystal[C]//Applications of Ferroelectrics,InternationalWorkshop on Acoustic Transduction Materials and Devices&Workshop onPiezoresponse Force Microscopy(ISAF/IWATMD/PFM),2014 Joint IEEE InternationalSymposium on the.IEEE,2014:1-4.)。