透明压电薄膜、超声换能器及其制备方法与流程

本发明涉及压电材料，特别是涉及透明压电薄膜、超声换能器及其制备方法。

背景技术：

1、光声成像中，传统的非透明超声换能器会遮挡部分激光，影响照射至组织的激光的传输，从而影响其激发出的超声信号，进而影响最终的成像质量。同时，传统的超声换能器多为刚性超声换能器，不利于将其用于颅脑、乳房等非平面组织的测量，因而使用单阵元超声换能器对此类非平面组织进行测试时得到的成像结构会与实际待测组织产生误差，进而影响成像质量以及精确性。

2、目前，虽然出现了一些可拉伸透明的超声转换器，但是，现有的可拉伸透明的超声转换器，大多是基于不可拉伸的压电材料和电极材料制备，然后通过对其机械结构进行设计，如设计为褶皱状、弹簧状、螺旋状等，来实现超声换能器的可拉伸性能。此类可拉伸透明超声换能器在经历多次拉伸形变后，其原本的非弹性电极结构等会发生坍塌，进而影响整个超声换能器的性能。

3、压电材料作为超声换能器的最为重要的核心元件，其性能是决定超声换能器性能的关键。传统的压电材料分为刚性压电材料（如压电陶瓷、压电单晶）和柔性压电材料（如：压电聚合物）。其中，刚性压电材料大多具有较高的机电耦合性能和较高的压电应变常数，但也具有较高的难以直接与人体组织相匹配的声阻抗；而柔性压电材料虽然具有较低的声阻抗可与人体声阻抗直接相匹配，同时也可为超声换能器提供较宽的带宽，但柔性压电材料的压电应变系数及机电耦合系数较低。

4、由此可知，传统的压电材料，存在无法同时兼具优异的可拉伸性、透明性、压电性能以及声阻抗较低的问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种透明压电薄膜、超声换能器及其制备方法，所述透明压电薄膜可同时具备优异的可拉伸、透明、压电性能以及声阻抗较低的特点，使其可直接用于超声换能器的制备，无需弹性基底。

2、一种透明压电薄膜，所述透明压电薄膜包括多孔纤维素基聚合物以及负载于所述多孔纤维素基聚合物的孔隙中的复合异质结颗粒、有机压电相和导电相；其中，所述多孔纤维素基聚合物与所述有机压电相以化学键结合，所述复合异质结颗粒为导电颗粒与透明无机压电相颗粒之间形成的化学异质结。

3、在其中一个实施例中，所述复合异质结颗粒在所述透明压电薄膜中的质量分数为20%-50%，所述有机压电相在所述透明压电薄膜中的质量分数为25%-60%，所述导电相在所述透明压电薄膜中的质量分数为0.05%-10%，所述多孔纤维素基聚合物在所述透明压电薄膜中的质量分数为15%-50%。

4、在其中一个实施例中，所述多孔纤维素基聚合物的孔径为35μm-105μm，相邻孔径之间的距离为40μm-65μm。

5、在其中一个实施例中，所述导电相选自纳米银、纳米铜、石墨烯中的至少一种；

6、及/或，所述有机压电相选自pvdf、p(vdf-trfe)、pvdf-hfp中的至少一种。

7、在其中一个实施例中，所述导电颗粒与所述透明无机压电相颗粒之间通过氧化还原反应形成的化学异质结，其中，所述导电颗粒的物质的量为所述复合异质结颗粒的物质的量的3%-10%。

8、一种如上述所述的透明压电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

9、提供复合异质结颗粒和多孔纤维素基聚合物；

10、将有机压电相溶解于有机溶剂中，得到混合溶液；

11、向所述混合溶液中加入导电相并混合均匀，得到第一复合溶液；

12、向所述第一复合溶液中加入所述复合异质结颗粒并混合均匀，得到第二复合溶液；

13、以及，将所述第二复合溶液注入或匀胶涂覆于所述多孔纤维素基聚合物的孔隙中，然后经热压和固化，得到所述透明压电薄膜。

14、在其中一个实施例中，在向所述混合溶液中加入所述导电相混合的步骤中，所述导电相以零维的方式分散于所述混合溶液中；

15、及/或，在向所述第一复合溶液中加入所述复合异质结颗粒混合的步骤中，所述复合异质结颗粒以零维的方式分散于所述第一复合溶液中。

16、在其中一个实施例中，所述多孔纤维素基聚合物由羟乙基纤维素溶液在增塑剂的作用下，于加热条件下发生聚合反应得到，其中，所述增塑剂选自尿素、葡萄糖中的至少一种。

17、一种超声换能器，所述超声换能器包括如上述所述的透明压电薄膜以及复合于所述透明压电薄膜两个相对表面上的电极层，且每个所述电极层均设置有极耳，其中，所述电极层为可拉伸透明电极层。

18、一种如上述所述的超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

19、在所述透明压电薄膜的两个相对表面上分别复合可拉伸透明电极层，形成三明治结构；

20、将所述三明治结构进行极化，然后分别从可拉伸透明电极层中引出极耳，得到所述超声换能器。

21、本发明中，第一、通过以多孔纤维素基聚合物作为透明压电薄膜整体的弹性骨架，用于复合异质结颗粒、有机压电相和导电相的填充以及负载，从而提高了透明压电薄膜整体的透明性以及拉伸性能；且所述多孔纤维素基聚合物与所述有机压电相以化学键（如氢键）结合，可提高有机压电相的取向排列提高结晶度，进而提高透明压电薄膜的压电性能。第二、通过复合异质结颗粒（导电颗粒与透明无机压电相颗粒之间形成的化学异质结）、有机压电相和导电相之间的协同作用，从整体上降低了透明压电薄膜所需的极化电压，提高了透明压电薄膜的极化程度，从而提高了压电性能和机电耦合性能。第三、由于有机压电相和多孔纤维素基聚合物的存在使得透明压电薄膜整体含有大量的聚合物，从而使其具有低声阻抗的特点。

22、因此，本发明的透明压电薄膜可同时具备优异的可拉伸、透明、压电性能以及声阻抗较低的特点，使其可直接用于超声换能器的制备，无需弹性基底。

技术特征：

1.一种透明压电薄膜，其特征在于，所述透明压电薄膜包括多孔纤维素基聚合物以及负载于所述多孔纤维素基聚合物的孔隙中的复合异质结颗粒、有机压电相和导电相；其中，所述多孔纤维素基聚合物与所述有机压电相以化学键结合，所述复合异质结颗粒为导电颗粒与透明无机压电相颗粒之间形成的化学异质结。

2.根据权利要求1所述的透明压电薄膜，其特征在于，所述复合异质结颗粒在所述透明压电薄膜中的质量分数为20%-50%，所述有机压电相在所述透明压电薄膜中的质量分数为25%-60%，所述导电相在所述透明压电薄膜中的质量分数为0.05%-10%，所述多孔纤维素基聚合物在所述透明压电薄膜中的质量分数为15%-50%。

3.根据权利要求1所述的透明压电薄膜，其特征在于，所述多孔纤维素基聚合物的孔径为35μm-105μm，相邻孔径之间的距离为40μm-65μm。

4.根据权利要求1所述的透明压电薄膜，其特征在于，所述导电相选自纳米银、纳米铜、石墨烯中的至少一种；

5.根据权利要求1所述的透明压电薄膜，其特征在于，所述导电颗粒与所述透明无机压电相颗粒之间通过氧化还原反应形成化学异质结，其中，所述导电颗粒的物质的量为所述复合异质结颗粒的物质的量的3%-10%。

6.一种如权利要求1至权利要求5任一项所述的透明压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的透明压电薄膜的制备方法，其特征在于，在向所述混合溶液中加入所述导电相混合的步骤中，所述导电相以零维的方式分散于所述混合溶液中；

8.根据权利要求6所述的透明压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述多孔纤维素基聚合物由羟乙基纤维素溶液在增塑剂作用下，于加热条件下发生聚合反应得到，其中，所述增塑剂选自尿素、葡萄糖中的至少一种。

9.一种超声换能器，其特征在于，所述超声换能器包括如权利要求1至权利要求5任一项所述的透明压电薄膜以及复合于所述透明压电薄膜两个相对表面上的电极层，且每个所述电极层均设置有极耳，其中，所述电极层为可拉伸透明电极层。

10.一种如权利要求9所述的超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及透明压电薄膜、超声换能器及其制备方法。其中，透明压电薄膜，所述透明压电薄膜包括多孔纤维素基聚合物以及负载于所述多孔纤维素基聚合物的孔隙中的复合异质结颗粒、有机压电相和导电相；其中，所述多孔纤维素基聚合物与所述有机压电相以化学键结合，所述复合异质结颗粒为导电颗粒与透明无机压电相颗粒之间形成的化学异质结。本发明的透明压电薄膜可同时具备优异的可拉伸、透明、压电性能以及声阻抗较低的特点，使其可直接用于超声换能器的制备，无需弹性基底。

技术研发人员：任丹阳,尹永刚,施钧辉,陈睿黾,李驰野,王钰琪,高大
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11