专利名称：一种压电复合材料及其制备方法
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％。
一种压电复合材料的制备方法，其包括以下步骤A1、对于至少两层压电材料，根据各层压电材料的极性，反向连通设置相邻层压电材料；A2、在压电材料的极化方向，切割贯通各层压电材料的至少两个填充槽，以形成采用规则条形组合形式连通的压电材料；A3、在各填充槽中设置填充物；A4、在所述压电复合材料的各工作面，分别设置工作面电极。
所述的制备方法，其中，步骤A1中，通过在各层压电材料的相邻面分别设置相邻面电极，反向连通设置相邻层压电材料；并且，步骤A1还包括以下步骤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。
所述的制备方法，其中，所述填充物具有粘性；并且，步骤A1中，采用粘接物粘接设置相邻层压电材料；步骤A4之前，还执行以下步骤在不大于两万帕的低气压环境中，对所述压电复合材料进行除气处理。
所述的制备方法，其中，步骤A3具体包括以下步骤将所述压电复合材料放在浇筑模具中，将所述填充物倒入所述浇筑模具，直至充满各填充槽。
采用上述方案，本发明提出了一种新型结构的易于加工的多层3-1型压电复合材料，取代1-3型压电复合材料，可用于制造多层超声换能器或传感器等，避免和解决了相邻层相互对位不准确的问题。本发明产品的加工工艺简单，对压电单晶切割的方向只有两个方向，节约了加工时间和成本。
图1至图9分别为本发明各种实施方式的压电复合材料工作面的截面示意图； 图10为本发明的一种实施方式的两层压电材料示意图； 图11为图10所示实施方式的相邻面电极和侧面电极示意图； 图12为图10所示实施方式的相邻层压电材料连通设置示意图； 图13为图10所示实施方式切割效果示意图； 图14为图13所示实施方式采用浇筑模具倒入填充物效果示意图； 图15为图14所示实施方式得到的成型材料示意图； 图16为图15所示实施方式得到的压电复合材料示意图。
具体实施例方式 以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明针对采用1-3型压电复合材料的多层超声换能器在制造过程中，相邻层的相互对位的问题，提出一种新型结构的更加易于加工的多层3-1型压电复合材料；采用此压电复合材料，可以取代1-3型压电复合材料，制造多层超声换能器，避免和解决了相邻层的相互对位的问题。
本发明提供了一种3-1型多层压电复合材料，包括多层由三维连通的压电晶体材料根据相邻层极性相对的方式，切割后形成的框架和黏度不大于80Pas(8000centipoise，即8000厘泊)的低黏度的环氧树脂粘接剂组合的压电复合材料。本发明的多层压电复合材料中，各层厚度可以相同也可以不相同；并且，各层压电晶体材料可以相同，也可以不同，只要相邻层压电晶体材料极化方向相反即可。
切割后的压电晶体材料框架壁厚应不大于整个3-1型压电复合材料厚度的三分之一。压电材料可以包括压电单晶，即压电石英晶体和其他压电单晶；压电陶瓷；压电半导体和有机高分子压电材料等等。
如图10所示，本发明提供了一种压电复合材料，其包括至少两层压电材料；在图10所示的实施例中，该压电复合材料仅包括两层压电材料第一层压电材料101和第二层压电材料102。
根据各层压电材料的极性，即根据各层压电材料的极化方向，相邻层压电材料反向设置；如图16所示，第一层压电材料101的极化方向201向下，则第二层压电材料102的极化方向202向上；并且，在所述压电复合材料的各工作面，分别设置工作面电极203。
各层压电材料三维连通设置，所述填充物一维连通设置；也就是形成一个3-1型的压电复合材料。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。
例如，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；当然也可以是上述图形的组合。所述形状应予以最大范围的解释，例如所述矩形包括了圆角矩形，以及由三角形组合得到的平行四边形等等。
又如，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，由此组合派生可得到A形、B形、D形、E形、F形、G形、H形、J形、K形、L形、M形、O形、P形、Q形、R形、T形、W形、X形、Y形、Z形；以及A形、B形、C形、D形、E形、F形、G形、H形、I形、J形、K形、L形、M形、N形、O形、P形、Q形、R形、S形、T形、U形、V形、W形、X形、Y形、Z形；以及A形、B形、C形、D形、E形、F形、G形、H形、I形、J形、K形、L形、M形、N形、O形、P形、Q形、R形、S形、T形、U形、V形、W形、X形、Y形、Z形；以及七字形、十字形、山字形、木字形等等。
例如，本发明的9种实施方式的平行于该压电复合材料工作面的任一截面分别如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，分别是9种实施方式的平行于该压电复合材料工作面的任一截面示意图，这样，对于平行于该压电复合材料工作面的任一截面，所述压电复合材料都是连通的。需要说明的是，图1至图9所示实施方式仅是本发明的部分实施方式，具体实施时，可以在符合所述压电材料以规则条形组合的形式连通设置的基础上，根据图1至图9加以改进或变换。
所述的压电复合材料中，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；当然也可以是上述图形的组合，例如梯形、五边形、六边形、正七边形等等，平行四边形包括了菱形、矩形和正方形。
如图11所示，所述的压电复合材料中，各层压电材料的相邻面分别设置相邻面电极104。之后，还可以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105，以及在其相邻层压电材料的相邻面电极相连接的侧面电极106。需要说明的是，侧面电极105和侧面电极106可大可小，位置不限，只需能够实现从侧面引出相邻面电极即可。
所述的压电复合材料中，各层压电材料形状相同，粘接设置，全部压电材料合计占总体积的15％至85％。
并且，本发明还提供了一种压电复合材料的制备方法，其包括以下步骤。
A1、对于至少两层压电材料，根据各层压电材料的极性，反向连通设置相邻层压电材料。
例如，在步骤A1中，通过在各层压电材料的相邻面分别设置相邻面电极，反向连通设置相邻层压电材料；并且，步骤A1还包括以下步骤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。
A2、在压电材料的极化方向，切割贯通各层压电材料的至少两个填充槽，以形成采用规则条形组合形式连通的压电材料。
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；当然也可以是上述图形的组合。
又如，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，由此组合派生可得到各种形状。
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；当然也可以是上述图形的组合。
所述规则条形、所述组合、所述工作面具体同上所述。
A3、在各填充槽中设置填充物。本发明不限制具体的填充物和填充方法，只需能够应用在本领域的填充物和填充方法即可。
例如，步骤A3具体包括以下步骤将所述压电复合材料放在浇筑模具中，将所述填充物倒入所述浇筑模具，直至充满各填充槽。
A4、在所述压电复合材料的各工作面，分别设置工作面电极。
在步骤A1中，可以采用粘接物粘接设置相邻层压电材料；即将相邻的两层压电材料用粘接物粘起来；并且，在步骤A4之前，还需执行以下步骤在不大于两万帕的低气压环境中，对所述压电复合材料进行除气处理。
需要说明的是，粘接剂与上述填充物可以相同，也可以不相同，例如，可以采用具有粘性的填充物；则在步骤A1中，采用所述填充物粘接设置相邻层压电材料；并且，在步骤A4之前，还执行以下步骤在不大于两万帕的低气压环境中，对所述压电复合材料进行除气处理。
例如，低黏度的环氧树脂粘接剂的真空或低气压除气可以在倒入浇筑模具之前进行，也可以在倒入浇筑模具之后进行。
下面再给出一个具体的实例，说明采用切割-填充法制备本发明的3-1型两层压电复合材料的步骤。
1)两块准备加工的压电晶体，如图10所示，即第一层压电材料101和第二层压电材料102。如图11所示，在两块准备加工的压电晶体的粘接面上，制备导电电极，即相邻面电极104，并将相邻面电极104延伸至压电晶体的侧面，如图11所示，也可以是分别设置第一层压电材料101相连接的侧面电极105，以及在其相邻层压电材料的相邻面电极相连接的侧面电极106。
这一步，是在两块准备加工的压电晶体的粘接面上制备导电电极，并将电极延伸至压电晶体的侧面，即在侧面设置一个用于接电的接口，更具体地说，是用于外接导线的导电区域，从而引入激励电信号或引出响应电信号；相邻面电极和侧面电极，可以通过在压电复合材料的上下两个表面，涂刷导电金属浆体材料，或者粘接导电固体金属层，或者采用物理或者化学的方法形成导电薄膜或厚膜来制备。
2)如图12所示，采用低黏度的环氧树脂粘接剂，将两块准备加工的压电晶体按相反的极化方向粘接在一起；并由低黏度的环氧树脂粘接剂保证粘接层厚度尽量薄，一般低于100微米，更好的是，低于10微米。此例采用环氧树脂作为填充物，本发明并不限制填充物的使用。
3)如图13所示，沿着垂直于压电晶体极化的方向，切割出供浇筑环氧树脂的、沿压电晶体材料极化方向切割贯通的若干个槽；可以横着切，也可以竖着切，本发明对此不作外限制；最后得到切割好的压电晶体100。
这一步，使用切割工具，选取垂直于压电晶体极化的一个方向对压电晶体进行切割，切割在该方向不完全贯通压电晶体，切割在沿压电晶体极化的方向完全贯穿。这样，就可以得到三维连通的压电晶体100。
4)如图14所示，将切割好的压电晶体置于浇筑模具200中；一般选择由不与所使用的环氧树脂固化后发生强烈粘黏的材料制成的浇筑模具，这些材料可以是聚四氟乙烯等。
这样，该浇筑模具与所使用的固化后的环氧树脂不发生强烈的粘黏，从而使其与成型的压电复合材料能够不发生破损，顺利分离。
5)配置好低黏度的环氧树脂粘接剂210。例如，将低黏度的环氧树脂粘接剂各部分按照使用说明的配比进行配置，并均匀搅拌。
6)如图14所示，将配置好的低黏度的环氧树脂粘接剂210倒入浇筑模具中，并对环氧树脂粘接剂在不大于20kPa的低气压环境中进行除气处理；最好是在真空中进行除气处理；除气处理直到没有气泡溢出为止。如图15所示，得到成型的材料110。
成型后的3-1压电复合材料毛坯与浇筑模具脱离后，可以进一步地进行切割、打磨、加工和其他处理。
7)如图16所示，待环氧树脂粘接剂固化后，在复合材料上下两层表面上制备导电电极，即工作面电极203。工作面电极203可以通过在压电复合材料的上下两个表面，涂刷导电金属浆体材料、或者粘接导电固体金属层、或者采用物理或者化学的方法，形成导电薄膜或厚膜来制备。
低黏度的环氧树脂粘接剂在常温下的固化时间采取使用说明的指示，本发明对此不作限制。
综上所述，本发明提出了一种新型的3-1型多层压电复合材料结构方式，取代1-3型压电复合材料，可用于制造多层超声换能器，还可用于制造其它设备，例如传感器等。应用于多层超声换能器的3-1型压电复合材料的工作面(侧面)可以是圆形、椭圆形，也可以是正方形、矩形、平行四边形，可以应用于单体超声换能器，也可应用于超声换能器阵列。采用上述结构，本发明的3-1型压电多层压电复合材料具有较高机电能量转换效率、较低的密度和声学阻抗。同时易于加工，只需要对压电晶体材料进行两个方向的切割。并且能够保证多层压电复合材料各层中间的压电晶体单元与相邻层中间的压电晶体单元准确对位，避免了由于相邻层的相互对位不准确，所造成的超声换能器的输出信号下降，以及引入另外不需要的振动模式的问题。
本发明所应用的领域为工业无损检测，生物医学成像、诊断和治疗，以及水下声呐技术等；更具体的说，本发明能够应用于金属或非金属材料和试件的缺陷探测、几何尺寸测量、以及材料机械特性的线性和非线性变化表征；本发明所制造的超声换能器能够应用于生物组织或器官的线性或非线性声学特性表征。
本发明在加工艺上简单，避免和解决了相邻层的相互对位的问题；对压电单晶切割的方向只有两个方向，节约了加工时间和成本；并且为新的3-1型压电复合材料的结构提供了新的思路。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1、一种压电复合材料，其包括压电材料和填充物；其特征在于，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。
2、根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于，各层压电材料的相邻面分别设置相邻面电极。
3、根据权利要求2所述的压电复合材料，其特征在于，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。
4、根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于，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。
5、根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于，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。
6、根据权利要求1所述的压电复合材料，其特征在于，各层压电材料形状相同，粘接设置，合计占总体积的15％至85％。
7、一种压电复合材料的制备方法，其包括以下步骤
A1、对于至少两层压电材料，根据各层压电材料的极性，反向连通设置相邻层压电材料；
A2、在压电材料的极化方向，切割贯通各层压电材料的至少两个填充槽，以形成采用规则条形组合形式连通的压电材料；
A3、在各填充槽中设置填充物；
A4、在所述压电复合材料的各工作面，分别设置工作面电极。
8、根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤A1中，通过在各层压电材料的相邻面分别设置相邻面电极，反向连通设置相邻层压电材料；并且，步骤A1还包括以下步骤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。
9、根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述填充物具有粘性；
并且，步骤A1中，采用粘接物粘接设置相邻层压电材料；
步骤A4之前，还执行以下步骤在不大于两万帕的低气压环境中，对所述压电复合材料进行除气处理。
10、根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤A3具体包括以下步骤将所述压电复合材料放在浇筑模具中，将所述填充物倒入所述浇筑模具，直至充满各填充槽。
全文摘要
本发明公开了一种压电复合材料及其制备方法，该压电复合材料包括填充物和至少两层压电材料，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。本发明产品可用于制造多层超声换能器或传感器等，避免和解决了相邻层相互对位不准确的问题，并且，加工工艺简单，对压电单晶切割的方向只有两个方向，节约了加工时间和成本。
文档编号H01L41/22GK101304067SQ20081006778
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者吴正斌, 沙 黄, 徐国卿 申请人:深圳先进技术研究院