一种通孔压电单晶复合材料、制备方法及其应用

本发明属于压电复合材料，具体涉及一种通孔压电单晶复合材料、制备方法及其应用。

背景技术：

1、接收型水声换能器，即水听器，广泛用于海洋资源探测、海下地质形貌绘、水下通讯导航。压电材料作为水声换能器的核心材料，直接影响着其灵敏度、带宽等关键性能。水听器的灵敏度主要由压电材料的静水压压电性能决定，静水压压电系数dh越大，水听器的灵敏度越高。压电材料的静水压压电系数dh＝d31+d32+d33,其中d31和d32为横向压电系数，d33为纵向压电系数。传统的压电材料中d31＝d32～-d33/2，导致其静水压压电系数dh只有40～90pc/n，进而影响了水听器的灵敏度。

2、为解决传统压电材料中静水压压电系数低的问题，制备压电复合材料是一种有效的策略。例如:(1)将压电小柱嵌入在三维连通的树脂中，从而限制横向压电系数d31与横向压电系数d32对静水压压电系数dh的影响(孙敏.1-3型压电复合材料及换能器研究[d].山东:济南大学,2012)；(2)将片状的压电片周期叠层排列在二维联通的树脂中，进而减弱横向压电系数d31对于静水压压电系数dh的影响(高峰,申扣喜.2-2压电复合材料的静水压电性能研究[c]//2009年全国水声学学术交流会.2009)；(3)通过在陶瓷烧结过程中引入孔隙，增强陶瓷的静水压压电系数dh性能(carmen galassi,processing of porousceramics:piezoelectric materials,journal ofthe european ceramic society,2006，26(14):2951-2958)。但是，上述现有技术存在以下的缺点：

3、(1)上述前两种复合材料的压电相在电极面不连通，因此削弱横向压电系数d31与横向压电系数d32压电常数的同时，也会同时减小d33压电常数，导致静水压压电系数dh提升的幅度有限(约90～150pc/n)；(2)多孔的压电陶瓷因为孔隙存在，致密度较低，造成压电性能较低，因此静水压压电系数dh的进一步提升被限制。另外，多孔陶瓷制备工艺复杂，孔径难以控制，不利于工业化生产。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种通孔压电单晶复合材料、制备方法及其应用，采用在面打孔的方式，能够实现高的静水压压电系数，具有水声优值高、声阻抗低的特点，可以大幅提升水声换能器的灵敏度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种通孔压电单晶复合材料，包括压电单晶材料与聚合物，所述压电单晶材料沿着方向开有通孔，通孔内灌注有聚合物，在[011]方向的两个面制备有电极。

4、所述一种通孔压电单晶复合材料，沿着压电单晶材料[011]方向进行了极化。

5、所述压电单晶材料与聚合物，按质量分数计，其组分配比为：压电单晶材料：聚合物＝1：(0.1～0.9)。

6、所述通孔半径小于压电单晶材料[011]方向单晶的厚度，通孔位置为打孔面的中心位置，通孔中心间距为0.1mm～10mm，通孔数量为1～50个。

7、所述聚合物包括环氧树脂、橡胶、光敏树脂；环氧树脂优选epo-tek 301环氧树脂，npel-128环氧树脂，或dy.e44环氧树脂。

8、一种通孔压电单晶复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

9、步骤s1、取压电单晶材料，将单晶材料进行定向，使得三个方向分别沿：[011],[100],

10、步骤s2、将步骤s1中得到的定向的压电单晶材料沿着方向打通孔；

11、步骤s3、将步骤s2打通孔得到的单晶材料进行清洗、干燥，然后用聚合物将通孔灌注；

12、步骤s4、将步骤s3得到的单晶材料进行打磨，清除表面的余胶，并进行清洗和干燥后，在[011]方向的两个面制备电极；

13、步骤s5、将步骤s4得到的通孔复合材料沿着[011]方向进行极化，得到通孔压电单晶复合材料。

14、所述步骤s4中的电极包括磁控溅射、电子束蒸镀、丝网印刷银电极、或化学镀电极。

15、所述步骤s5中极化采用的电场强度为5～15kv/cm,极化时长为5～30min。

16、一种水声换能器，包括上述任意一种通孔压电单晶复合材料。

17、上述一种通孔压电单晶复合材料的应用，用于制备水声换能器，能够提高静水压压电系数，实现水声换能器灵敏度的提升。

18、本发明的优点是：

19、1、本发明步骤s1中将单晶材料进行定向，能够实现横向压电系数d31与纵向压电系数d33为正，横向压电系数d32为负的效果；

20、2、本发明步骤s2中将单晶材料沿着方向打通孔，能够实现静水压下减弱横向压电系数d32对静水压压电系数dh的影响，从而大幅提升静水压压电系数dh；

21、3、本发明所得的通孔压电单晶复合材料，沿[011]方向极化的横向压电系数d32为负，横向压电系数d31与纵向压电系数d33为正，通过沿打通孔，且在大量实验的基础上，优化压电单晶材料与聚合物的比例以及设定通孔的优化参数，隔断横向压电系数d32方向对于静水压压电系数dh的影响。所得的通孔压电单晶复合材料的静水压压电系数dh可达700pc/n以上。相较传统的压电材料，静水压压电系数dh可以提高7倍以上，而且其制备工艺简单，可控性高，可以大幅提升水听器等换能器的性能。

22、综上所述，与现有技术相比，采用在面打孔的方式，能够实现高的静水压压电系数，具有水声优值高、声阻抗低的特点，可以大幅提升水声换能器的灵敏度。

技术特征：

1.一种通孔压电单晶复合材料，其特征在于，包括压电单晶材

2.根据权利要求1所述的一种通孔压电单晶复合材料，其特征在于，所述一种通孔压电单晶复合材料，沿着压电单晶材料[011]方向进行了极化。

3.根据权利要求1或2所述的一种通孔压电单晶复合材料，其特征在于，所述压电单晶材料与聚合物，按质量分数计，其组分配比为：压电单晶材料：聚合物＝1：(0.1～0.9)。

4.根据权利要求1所述的一种通孔压电单晶复合材料，其特征在于，所述通孔半径小于压电单晶材料[011]方向单晶的厚度，通孔位置为打孔面的中心位置，通孔中心间距为0.1mm～10mm，通孔数量为1～50个。

5.根据权利要求1或3所述的一种通孔压电单晶复合材料，其特征在于，所述聚合物包括环氧树脂、橡胶、光敏树脂；环氧树脂优选epo-tek 301环氧树脂，npel-128环氧树脂，或dy.e44环氧树脂。

6.权利要求1至5任意一种通孔压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种通孔压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中的电极包括磁控溅射、电子束蒸镀、丝网印刷银电极、或化学镀电极。

8.根据权利要求6所述的一种通孔压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中极化采用的电场强度为5～15kv/cm,极化时长为5～30min。

9.一种水声换能器，其特征在于，包括上述权利要求1至9所述的任意一种通孔压电单晶复合材料。

10.根据权利要求1至9所述的任意一种通孔压电复合材料的应用，其特征在于，用于制备水声换能器，能够提高静水压压电系数，实现水声换能器灵敏度的提升。

技术总结
一种通孔压电单晶复合材料，包括压电单晶材料与聚合物；制备方法包括：S1、取压电单晶材料，将单晶材料进行定向，使得三个方向分别沿：S2、将S1中得到的定向的压电单晶材料沿着方向打通孔；S3、将单晶材料进行清洗、干燥，然后用聚合物将通孔灌注；S4、将单晶材料进行打磨，清除表面的余胶，并进行清洗和干燥后，在[011]方向的两个面制备电极；S5、将通孔复合材料沿着[011]方向进行极化，得到通孔压电单晶复合材料；本发明应用于提高静水压压电系数，实现水声换能器灵敏度的提升；静水压压电系数dh可达700pC/N以上，相较传统的压电材料，静水压压电系数dh可以提高4.5～10倍，具有工艺简单，可控性高，可以大幅提升水听器等换能器性能的特点。

技术研发人员：徐卓,贾楠香,马志强,宁俐,党毓杰,杜红亮,夏颂,李飞
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15