[发明专利]一种用于水声换能器的复合压电陶瓷纤维膜及制备方法

说明书

本发明属于复合膜材的技术领域，提供了一种用于水声换能器的复合压电陶瓷纤维膜及制备方法。该方法以聚氨酯溶液和压电陶瓷分散液混合，行星式研磨制得复合纺丝溶液，然后进行静电纺丝，制得聚氨酯/铌酸盐基压电陶瓷纤维复合膜。与传统方法相比，本发明的制备的复合材料纳米纤维膜，压电陶瓷纤维在聚合物中分撒均匀，所得膜材厚度均匀，孔隙率高，比表面积大，机械强度高，用于水声换能器中，显著提高了其灵敏度和使用寿命。

技术领域

本发明属于复合膜材的技术领域，提供了一种用于水声换能器的复合压电陶瓷纤维膜及制备方法。

背景技术

水声技术是水下通讯导航、水产渔业、海资源等领域的重要手段。水声换能器是声呐系统中实现能量转换的器件。其功能是激发及接收水环境中的声波信号，实现声能和电能之间的相互转化，换能器的材料是关系到鱼雷制导、声呐性能的重要影响因素。目前水声技术领域中应用最广泛的是压电陶瓷式换能器。

压电陶瓷式换能器的工作原理是：当换能器工作于发射状态时，压电陶瓷部件在电场的作用下，借助逆压电效应，进行伸缩振动，向煤质发射声波。当换能器工作于接收状态时，压电陶瓷部件在声发射信号的作用下发生伸张或收缩，借助正压电效应，转换为电信号。

传统水声换能器采用PZT压电陶瓷为核心敏感元件，PZT陶瓷虽因具有较强的压电性能而得到广泛应用，但其性能不能充分满足水声换能器的要求。首先，PZT压电陶瓷质脆，不利于加工成所要求的形状、尺寸和精度，且在技工过程中易损坏，也限制了水声换能器的微型化、智能化。由于压电聚合物复合材料与压电陶瓷相比有较高的净水压电系数，比较适合用做水声换能器，它的特性阻抗小，容易与水匹配，频带宽，其性能还可以通过添加第三相粒子来调节，因此，压电聚合物复合材料换能器在灵敏度、宽度、阻抗匹配和降低阵元内部交叉耦合等方面都要优于纯陶瓷换能器。

目前国内外在水声换能器技术，尤其是压电陶瓷式换能器方面已取得了一定成效。其中范艳华等人发明了一种具有良好的综合机电性能压电陶瓷及其制备方法（中国发明专利申请号201010114529.8），由钪铌—锰铌-锆酸铅-钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成，四元系摩尔百分比为：3~18%Pb(Sc_1/2Nb_1/2)，3~8%Pb(Mn_1/3Nb_2/3)，40~49%PbZrO₃，40~49%PbTiO₃，其中，Pb位被1~5mol%Sr²⁺取代；钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅四元系压电陶瓷为一种新的压电陶瓷体系,可在较宽的范围内调整其性能；提供的优化配方具有较好的综合机电性能,适用于水声换能器,具有良好的商业价值。另外，王柏耀发明了一种复合压电材料及其制备方法（中国发明专利申请号201511033900.7），包括以下重量份的原料：热塑性弹性体45~80份；导电体0.5~3份；压电体15~35份；硬脂酸钙0.5~5份；马来酸酐接枝聚乙烯10~20份；；该发明的复合压电材料具有良好的压电稳定性和热稳定性，而且性能优于之前的复合压电材料，可以做成拨片、棒或线材及模压成所需的各种形状，该发明的压电材料可以用于电声换能器，水声换能器和超声换能器等，具有非常广泛的用途。

可见，现有技术中的压电陶瓷式换能器，存在压电陶瓷纤维和聚合物之间相容性不好，并且压电陶瓷纤维在聚合物基体中分散性不均匀，导致机械强度不高，灵敏度不佳，使用寿命短等缺点。

发明内容

针对这种情况，我们提出一种用于水声换能器的复合压电陶瓷纤维膜及制备方法，有效改善了压电陶瓷纤维在聚合物中的分散性，制得的膜材机械强度高，灵敏度好，使用寿命长。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：

一种用于水声换能器的复合压电陶瓷纤维膜的制备方法，以聚氨酯溶液和压电陶瓷分散液混合，行星式研磨制得复合纺丝溶液，然后进行静电纺丝，制得聚氨酯/铌酸盐基压电陶瓷纤维复合膜，制备的具体步骤如下：