一种通孔压电单晶复合材料、制备方法及其应用

1.本发明属于压电复合材料技术领域，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：

2.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＝d
31
+d
32
+d
33
,其中d
31
和d
32
为横向压电系数，d
33
为纵向压电系数。传统的压电材料中d
31
＝d
32
～-d
33
/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。
3.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d
31
与横向压电系数d
32
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d
31
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 porous ceramics: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：
[0004]
(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d
31
与横向压电系数d
32
压电常数的同时，也会同时减小d
33
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。


技术实现要素：

[0005]
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。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007]
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。
[0008]
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。
[0009]
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)。
[0010]
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。
[0011]
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。
[0012]
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：
[0013]
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],
[0014]
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；
[0015]
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；
[0016]
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；
[0017]
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。
[0018]
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。
[0019]
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。
[0020]
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。
[0021]
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。
[0022]
本发明的优点是：
[0023]
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d
31
与纵向压电系数d
33
为正，横向压电系数d
32
为负的效果；
[0024]
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d
32
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；
[0025]
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d
32
为负，横向压电系数d
31
与纵向压电系数d
33
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d
32
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。
[0026]
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。
附图说明
[0027]
图1是本发明的实施例1的流程图。
[0028]
图2是本发明的实施例2的流程图。
[0029]
图3是本发明的实施例3的流程图。
[0030]
图4是本发明的实施例4的流程图。
[0031]
图5是本发明实施例和对比例的静水压压电系数dh的对比图。
[0032]
图6是本发明实施例的实物图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0034]
实施例1
[0035]
参照图1，本实例采用的是定向压电单晶—打孔—灌胶—打磨—制备电极—极化的制备工艺。
[0036]
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：
[0037]
步骤s1、取压电单晶块材料，尺寸为10
×
10
×
4mm3，将单晶材料进行定向，使得三个方向分别沿[011],[100]和采用精密切割机进行切割单晶块材料，保证尺寸精度为0.02mm；
[0038]
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，采用机械钻孔方式进行钻孔，打孔实际精度≤0.02mm，打孔的圆心处于打孔面的中心线，通孔半径为1mm,孔中心间距1mm，打孔数量5个；
[0039]
步骤s3、将步骤s2打通孔得到的单晶材料浸泡在乙醇中进行超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；然后用环氧树脂将通孔灌注，灌胶后，将单晶材料放置在真空环境下常温固化24h；
[0040]
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，制备电极前，将单晶材料再次浸泡在乙醇中超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；制备电极采用磁控溅射的方式，电极厚度为200nm在[011]方向的两个面制备电极；
[0041]
步骤s5、将步骤s4得到的通孔复合材料沿着[011]进行极化，极化采用的电场强度为10kv/cm,极化时长为10min，得到通孔压电单晶复合材料。
[0042]
实施例1制备的通孔压电单晶复合材料，其静水压压电系数dh性能可达到700～800pc/n,比目前的压电材料的dh(60～150pc/n)高出4.5～10倍。
[0043]
实施例2
[0044]
参照图2，本实例采用的是定向压电单晶—打孔—灌胶—打磨—制备电极—极化的制备工艺。
[0045]
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：
[0046]
步骤s1、取压电单晶块材料，尺寸为10
×
10
×
4mm3，将单晶材料进行定向，使得三个方向分别沿011],[100]和采用精密切割机进行切割单晶，保证尺寸精度为
0.02mm；
[0047]
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，采用激光打孔方式进行钻孔，打孔实际精度≤0.001mm，打孔图案为类蜂窝状，通孔半径尺寸为0.5mm,孔中心间距1.5mm打孔数量为11，上下两排孔中心距1.5mm；
[0048]
步骤s3、将步骤s2打通孔得到的单晶材料浸泡在乙醇中进行超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；将橡胶注入到通孔中，灌胶后，将单晶材料放置在真空环境下常温固化24h；
[0049]
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，制备电极前，将单晶材料再次浸泡在乙醇中超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；制备电极采用磁控溅射的方式，电极厚度为200nm在[011]方向的两个面制备电极。
[0050]
步骤s5、将步骤s4得到的通孔复合材料沿着[011]进行极化，极化采用的电场强度为10kv/cm,极化时长为10min，得到通孔压电单晶复合材料。
[0051]
实施例2制备的通孔压电单晶复合材料，其静水压压电系数dh性能可达到700～800pc/n,比目前的压电材料的dh(60～150pc/n)高出4.5～10倍。
[0052]
实施例3
[0053]
参照图3，本实例采用的是定向压电单晶—打孔—灌胶—打磨—制备电极—极化的制备工艺。
[0054]
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：
[0055]
步骤s1、取压电单晶块材料，尺寸为10
×
10
×
4mm3，将单晶材料进行定向，使得三个方向分别沿[011],[100]和采用精密切割机进行切割单晶，保证尺寸精度为0.02mm；
[0056]
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，采用激光打孔方式进行钻孔，打孔实际精度≤0.001mm，打孔图案为双排孔，通孔半径尺寸为0.5mm,孔中心间距1.5m，打孔数量12个，上下两排孔中心距1.5mm；
[0057]
步骤s3、将步骤s2打通孔得到的单晶材料浸泡在乙醇中进行超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；将环氧树脂注入到通孔中，灌胶后，将单晶材料放置在真空环境下常温固化24h；
[0058]
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，制备电极前，将单晶材料再次浸泡在乙醇中超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；采用丝网印刷银电极在[011]方向的两个面制备电极，电极厚度为4μm，电极在室温下固化8h；
[0059]
步骤s5、将步骤s4得到的通孔复合材料沿着[011]进行极化，极化采用的电场强度为10kv/cm,极化时长为10min，得到通孔压电单晶复合材料。
[0060]
实施例3制备的通孔压电单晶复合材料，其静水压压电系数dh性能可达到700～800pc/n,比目前的压电材料的dh(60～150pc/n)高出4.5～10倍。
[0061]
实施例4
[0062]
参照图4，本实例采用的是定向压电单晶—打孔—灌胶—打磨—制备电极—极化
的制备工艺。
[0063]
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：
[0064]
步骤s1、取压电单晶块材料，尺寸为10
×5×
4mm3，将单晶材料进行定向，使得三个方向分别沿[011],[100]和采用精密切割机进行切割单晶，保证尺寸精度为0.02mm；
[0065]
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，采用激光打孔方式进行钻孔，打孔实际精度≤0.001mm，打孔图案为双排孔，通孔半径为0.5mm,孔中心间距1.5m，打孔数量12个，上下两排孔中心距1.5mm；
[0066]
步骤s3、将步骤s2打通孔得到的单晶材料浸泡在乙醇中进行超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；将环氧树脂注入到通孔中，灌胶后，将单晶材料放置在真空环境下常温固化24h；
[0067]
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，制备电极前，需将单晶材料再次浸泡在乙醇中超声清洗10～15min,并在60℃烘箱中干燥5min；采用丝网印刷银电极在[011]方向的两个面制备电极，电极厚度为4μm，电极在室温下固化8h。
[0068]
步骤s5、将步骤s4得到的通孔复合材料沿着[011]进行极化，极化采用的电场强度为10kv/cm,极化时长为10min，得到通孔压电单晶复合材料。
[0069]
实施例3制备的通孔压电单晶复合材料，其静水压压电系数dh性能可达到700～800pc/n,比目前的压电材料的dh(60～150pc/n)高出4.5～10倍。
[0070]
对比例
[0071]
参照图5和图6，为制备高压电系数的压电材料，目前的压电材料是基于1-3(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)与2-2方向联通(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)的复合材料，压电系数只有100～180pc/n。本发明所制备的通孔压电单晶复合材料的静水压压电系数dh可达到700pc/n以上，远远高于目前技术水平。

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。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：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：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；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；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；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。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d


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：2023.06.30
技术公布日：2023/9/22