[发明专利]柔性透明压电复合薄膜、透明可拉伸超声换能器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性透明压电复合薄膜、透明可拉伸超声换能器及其制备方法。所述的柔性复合透明薄膜主要通过构建化学异质结以及设计复合压电薄膜中各相铁电畴壁的结构得到。本发明首先通过原位合成法在复合薄膜前驱体溶液的内部形成化学异质结，化学异质结可提高复合薄膜中无机压电相分散单元在极化时上面的电压分布，显著提高电场作用下偶极矩取向。而后，对成型后的非透明柔性复合薄膜施加交流电场极化，使连续的铁电畴相互融合，以减少铁电畴数目。最终制备出具有高透明度、高压电性能低声阻抗的柔性复合压电薄膜，最终应用于透明可拉伸的超声换能器中，尤其应用颅脑等非平面组织的光声成像，提高光声成像中光的传递效率，提高成像质量。

技术领域

本发明涉及压电材料技术领域，尤其涉及一种柔性透明压电复合薄膜、透明可拉伸超声换能器及其制备方法。

背景技术

在光声成像中，传统的性能较高的压电式超声换能器多为PZT压电陶瓷或者PMN-PT压电单晶制成。因为PZT和PMN-PT具有较高的压电系数和机电耦合系数，但是较为遗憾的是他们在可见光的范围内都是非透明。相对而言透明度较高的压电材料包含铌酸锂单晶、PVDF等，但是他们的压电系数、机电耦合系数远低于上述所述的PZT、PMN-PT，这一特点会限制其制成超声换能器的带宽、灵敏度。光声成像中，传统的非透明的超声换能器会部分遮蔽影响到照射至组织的激光的传输，影响最后的成像的清晰度，因而，对透明超声换能器的研究也显得十分重要。另外，目前的超声换能器主要为刚性器件，不利于使用单阵元探头测试颅脑、乳房等非平面组织，因而对单阵元的柔性超声换能器的研究就显得十分重要；总之近年来随着可穿戴器件的发展以及材料科学的进步，研制透明的高性能的柔性超声换能器器件应用于光声成像中，也成为了一个热度较高的研究方向。

研制出具有高压电系数、高机电耦合系数的柔性复合透明材料是研制高性能的柔性超声换能器的过程中至关重要的一步。目前研制出的柔性复合压电材料大多数为聚合物材料和无机压电材料组成，在对该类复合材料施加电压进行极化时，在整个结构的极化过程中，由于无机压电粒子在聚合物基体内部的孤立分布和绝缘聚合物的高电阻，导致施加在聚合物内部的无机压电粒子上分布的局部电压有限。因此，这种直接将无机压电材料粒子分散于聚合物基体中时，会导致复合材料内部的无机压电粒子的自发极化重新定向程度都很低。即具有高压电系数的无机压电相极化不充分，并未充分表现出其自身优异的压电性能，导致柔性复合压电材料整体压电性能不理想。

此外，该复合压电材料在可见光范围内非透明的或者透明度较低的、压电系数和机电耦合系数较低的。其中，压电系数、机电耦合系数较低的原因主要有以下两点：第一，多数柔性复合材料为使自身具有一定的透明度，会选择在复合材料中只添加少量的具有超高压电系数、超高机电耦合系数的无机压电相(如PZT、PMN-PT等，大多为非透明的)，而复合物中的主要材料为透明度相对较高的基体材料(如PVDF等，透明度高、但压电系数远低于PMN-PT等)，具有高压电系数、高机电耦合系数的无机压电相组分少自然会导致整体柔性复合材料的压电性能较低；第二，大多为复合材料中的无机压电相在极化时电压分布较少，导致整个复合材料极化不充分，无法表现出PMN-PT等本该表现出的超高压电性能，进而导致复合材料整体的压电系数、机电耦合系数较低。而当前复合压电材料在可见光范围内为非透明和透明度较低的主要原因如下：部分柔性复合材料为保证其具有较高的压电系数及机电耦合系数，只能在复合材料中增加PMN-PT等无机压电材料的占比，但这无疑是以牺牲复合材料的透明度为代价的。传统的高压电性能的PZT、PMN-PT等无机压电材料都是典型的钙钛矿结构的铁电陶瓷和铁电单晶构成的，且当其化学组成接近MPB线时具有最优异的压电性能。而铁电体内部是由数量较多的铁电畴组成的，而铁电畴壁处发生的光散射、反射是铁电体在可见光下不透明的主要原因。因而，使柔性复合材料具有较高的透明度、较高的压电性能，一直是研究重点、难点。

发明内容