专利名称：串并联压电复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于功能材料及其制备技术领域，具体涉及到一种用于水声、超声和医用换能器的串并联压电复合材料及其制备方法。
背景技术：
压电复合材料是具有压电效应的材料，它能实现机械能与电能之间的相互转换。压电复合材料是指由压电晶体和聚合物按一定的连通方式、一定的体积和重量比、一定的空间几何分布复合而成的材料。它既具有压电晶体的强压电性能，又具有聚合物的柔性、阻抗低，以及易与空气和水匹配等特点，是一种兼有两相材料优点的新型材料。
压电复合材料一般按照各相材料在空间结构上的自我连通性进行分类，在各相材料已定的情况下，其空间结构决定着压电复合材料力学和电学性能。根据Newnham等人关于复合材料连通性理论(R.E.Newnham et al.，Connectivity and Piezoelectric-Pyroelectric Composites〔J〕，Mat Res Bull Vol.13，pp.525-536，1978)，对于n相材料复合共有 种连通结构。参考图1，对于压电晶体和聚合物两相材料复合，连通结构类型有0-0，0-1，0-2，0-3，1-1，1-2，1-3，2-2，2-3和3-3十种。理论分析压电复合材料的性能时，将压电复合材料的连通方式抽象归纳为串联结构和并联结构两大类。参考图2-a，串联结构为两相材料交替地层叠排列，且平行于电极层，极化方向Z垂直于交替平面；参考图2-b，并联结构为两相材料均垂直于电极层，形成交替的条带，并平行于极化方向Z。目前，串联或并联压电复合材料的压电晶体在横向或纵向是分离的，仅用环氧树脂将它们粘接到一起，易受压力、机械振动冲击和环境温度变化的影响，而且在串联或并联压电复合材料的电极面上，两相材料的力学柔顺性相差较大，电极制备不易平整且易断裂。
发明内容
本发明克服了上述串联或并联压电复合材料的结构缺陷，提供一种串并联压电复合材料及其制备方法。该压电复合材料兼有并联压电复合材料和串联结构压电复合材料优点，具有性能稳定，在受热和外力冲击下不易变形等特点，且制作工艺较简单。
本发明的技术内容一种串并联压电复合材料，包括并联压电复合材料、压电晶体基板和上、下电极，并联压电复合材料是由压电晶体骨架和环氧树脂组成，并联压电复合材料固定在压电晶体基板上，并联压电复合材料与压电晶体基板形成串并联结构。
并联压电复合材料的压电晶体骨架与压电晶体基板连为一体，串并联压电复合材料的横向和纵向都有压电陶瓷骨架支撑。
压电晶体基板厚度是串并联压电复合材料高度的0.05％到35％。
压电晶体为压电单晶或压电陶瓷。
下电极采用压电单晶或压电陶瓷的底面电极。
一种串并联压电复合材料的制备方法，其步骤包括(1)在压电晶体的上半部分，沿垂直于压电晶体极化轴方向，切割出并联压电复合材料的压电晶体骨架，压电晶体的下半部分为压电晶体基板；(2)将环氧树脂浇注在并联压电复合材料骨架内，固化后形成并联压电复合材料；(3)在并联压电复合材料的上表面和压电晶体基板的下表面分别设有上、下电极，制得串并联压电复合材料。
并联压电复合材料的工艺过程为(1)将压电晶体骨架和压电晶体基板放入灌胶模具中；(2)配制环氧树脂；(3)将环氧树脂液体注入到灌胶模具中，常温固化12小时以上。
在串并联型压电复合材料的上表面可以刷涂导电银浆制备上电极。
在串并联型压电复合材料的上表面可以粘接金属板制备上电极。
在串并联型压电复合材料的上表面可以溅射金属薄膜制备上电极。
本发明的技术效果串并联压电复合材料的结构特点是串并联组合，即并联压电复合材料本身具有并联压电复合材料特性，并联压电复合材料和压电基板又构成串联压电复合材料，本发明兼有并联复合材料和串联压电复合材料的强压电性、低密度、低阻抗和易与空气和水匹配等优点，且由于在本发明串并联压电复合材料的横向和纵向都有陶瓷骨架支撑，在使用过程中不易受压力、机械振动冲击的影响，从而达到提高复合材料的耐热和力学冲击的能力，提高复合材料稳定性的目的。
本发明串并联压电复合材料的制备工艺简单，采用压电晶体基板原有的电极作为复合材料的下电极，可以直接进行引线焊接，简化复合材料的电极制作工艺。
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为两相复合材料结构的10种连通结构示意图；图2为串并联模型示意图；图3为并联模型示意图；图4为本发明串并联压电复合材料的结构示意图；图5为本发明串并联压电复合材料的制备工艺流程图；图6为本发明串并联压电复合材料的制备工艺实施示意图。
具体实施例方式
参考图3，1-3型、2-2型为并联结构的压电复合材料，2-2型压电复合材料的压电晶体骨架1为若干压电晶体片的并联阵列，1-3型压电复合材料的压电晶体骨架1为若干压电晶体柱的并联阵列，与环氧树脂2形成交替的条带，并平行于极化方向。参考图4，本发明串并联压电复合材料包括并联压电复合材料中的一种-1-3型压电复合材料6、压电晶体基板5和金属电极3、4，压电晶体基板5为压电陶瓷，1-3型压电复合材料6是由压电陶瓷和环氧树脂复合而成，1-3型压电复合材料6固定在压电晶体基板5上，1-3型压电复合材料6的压电陶瓷骨架与压电陶瓷基板5连为一体，串并联压电复合材料的压电陶瓷基板是串并联压电复合材料高度的0.05％到35％。其中，压电陶瓷骨架的柱体的截面可以是三角形、矩形、方形、平行四边形、六边形和梯形。该串并联压电复合材料的结构特点是兼有串联和并联压电复合材料的特点，且性能更加稳定，可以用作水声、超声和医用换能器换能材料。
参考图5，本发明串并联压电复合材料采用切割-填充法制作。首先沿垂直于压电陶瓷极化轴的方向，用精密自动切割机将压电陶瓷切割成压电陶瓷骨架和压电晶体基板，其次，在压电陶瓷骨架中浇注经处理的环氧树脂并固化，打磨或切割制成复合材料毛坯，若上电极是金属板，则将金属粘接到毛坯上；若上电极是金属薄膜，则可通过溅射金属薄膜和刷涂银浆的方法制作上电极。其中，串并联压电复合材料的陶瓷体积百分比可以从10％到90％，根据实际的需要进行调节。
下面结合实施例加以说明，参考图6，采用PZT-5A压电陶瓷，沿垂直于压电陶瓷极化轴互相垂直的两个方向，用精密自动切割机切割出串并联压电复合材料的陶瓷骨架，将压电陶瓷放入灌胶模具中待用。
本实施方案的环氧树脂的配方是树脂、乙二氨和邻本二甲酸二丁脂，它们的重量比是83％-85％、7.5％-8.5％和7.5％-8.5％。操作过程是称取适当重量的环氧树脂注入容器中，并在容器中注入相应重量的增韧剂，搅拌均匀。容器放入真空烘箱里抽真空，待液体中的气泡溢出，且从烘箱的窗口看不见气泡时，停止抽真空。再在容器中注入适当重量的固化剂，将容器置于超声波振动容器中，利用超声波振动充分混合容器中的各种液体，同时利用超声振动除去混合液中的气泡；随后，将盛有三种材料混合液的容器放入真空烘箱中抽真空，待液体中的气泡溢出，且从烘箱的窗口看不见容器中有气泡时，停止抽真空，至此完成了环氧树脂处理的过程。
将配制好的环氧树脂液体注入置有压电陶瓷骨架的模具中，常温下固化12小时。脱模后制成串并联压电复合材料毛坯，打磨或切割毛胚制成串并联压电复合材料样品，该串并联压电复合材料外形的截面可是长方形、方形、六边形和圆形。
在1-3型压电复合材料表面上刷涂导电银浆等来制备该串并联压电复合材料的上电极。该串并联压电复合材料的下电极沿用压电陶瓷未经切割的基板下表面电极，因为采用经过电极化的压电陶瓷，且制作过程中切割、浇注和固化在常温和常压下进行，对压电陶瓷极化的影响极小，不需要再次进行复合材料的电极化，并省去了串并联压电复合材料下电极的制备，简化了复合材料的制作工艺。
权利要求
1.一种串并联压电复合材料，包括并联压电复合材料、压电晶体基板和上、下电极，并联压电复合材料是由压电晶体骨架和环氧树脂组成，其特征在于并联压电复合材料固定在压电晶体基板上，并联压电复合材料与压电晶体基板形成串并联结构。
2.如权利要求1所述的串并联压电复合材料，其特征在于并联压电复合材料的压电晶体骨架与压电晶体基板连为一体，横向和纵向都有压电陶瓷骨架支撑。
3.如权利要求1或2所述的串并联压电复合材料，其特征在于压电晶体基板厚度是串并联压电复合材料高度的0.05％到35％。
4.如权利要求1所述的串并联压电复合材料，其特征在于压电晶体为压电单晶或压电陶瓷。
5.如权利要求1所述的串并联压电复合材料，其特征在于下电极采用压电单晶或压电陶瓷的底面电极。
6.一种串并联压电复合材料的制备方法，其步骤包括(1)在压电晶体的上半部分，沿垂直于压电晶体极化轴方向，切割出并联压电复合材料的压电晶体骨架，压电晶体的下半部分为压电晶体基板；(2)将环氧树脂浇注在并联压电复合材料骨架内，固化后形成并联压电复合材料；(3)在并联压电复合材料的上表面和压电晶体基板的下表面分别设有上、下电极，制得串并联压电复合材料。
7.如权利要求6所述的串并联压电复合材料制备方法，其特征在于并联压电复合材料的工艺过程为(1)将压电晶体骨架和压电晶体基板放入灌胶模具中；(2)配制环氧树脂；(3)将环氧树脂液体注入到灌胶模具中，常温固化12小时以上。
8.如权利要求6所述的串并联压电复合材料制备方法，其特征在于在并联压电复合材料的上表面刷涂导电银浆、粘接金属板或溅射金属薄膜制备串并联压电复合材料上电极。
9.如权利要求6或8所述的串并联压电复合材料制备方法，其特征在于串并联压电复合材料下电极沿用压电晶体基板原有的下表面电极。
全文摘要
本发明提供了一种用于水声、超声和医用换能器的串并联压电复合材料及其制备方法，属于功能材料及其制备技术领域。该串并联压电复合材料包括并联压电复合材料、压电晶体基板和上、下电极。并联压电复合材料是由压电晶体骨架和环氧树脂组成，并联压电复合材料固定在压电晶体基板上，并联压电复合材料的压电晶体骨架与压电晶体基板连为一体，其结构特点是串并联组合，横向和纵向都有陶瓷骨架支撑。兼有并联和串联压电复合材料的特点，性能稳定，在受热和外力冲击下不易变形，且制作工艺简单。
文档编号H01L41/22GK1585148SQ200410009179
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月7日 优先权日2004年6月7日
发明者李光, 王丽坤, 栾桂冬, 张金铎, 张福学, 唐劲松, 岳军 申请人:北京信息工程学院