[發明專利]一種耐高溫雙層壓電復合材料元器件制備方法

無效

• 申請號: 201010589898.2
• 申請日: 2010-12-06
• 公開（公告）號: CN102130293A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 張軍;徐平;朱學文
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一五研究所
• 主分類號: H01L41/22
• 分類號: H01L41/22;H01L41/18
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 陳繼亮

技術領域

本發明涉及功能材料及其制備技術領域，主要是一種耐高溫雙層壓電復合材料元器件制備方法。

背景技術

壓電復合材料是指由至少一種壓電相材料與非壓電相材料按照一定的連通方式組合在一起而構成的一種具有壓電效應的新材料。這種新材料集中了各相材料的優點，或者具有各相材料的折中效果，因此自問世以來，得到了廣泛的研究和應用。

壓電材料的發展是曲折的。19世紀80年代居里兄弟首先在石英晶體上發現壓電效應，至20世紀50年代人們開發出以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的壓電陶瓷。這類材料具有壓電性能好，機電耦合系數高等特點，廣泛用于電聲、水聲和超聲領域，如壓電振子、壓電點火裝置、壓電變壓器、壓電濾波器等。但由于壓電陶瓷的密度及彈性模量都較大、靜水壓壓電常數小，制作的換能器抗沖擊性能差、較重、不易與空氣和水匹配，難以滿足水聽器和醫學換能器的要求。20世紀70年代，以聚偏氟乙烯(PVDF)為代表的高分子壓電材料化學性能穩定，柔順性好，可制造大面積且均勻的薄膜，其聲阻抗易于與水及生物體的聲阻抗匹配，可廣泛用于超聲換能器、水聲換能器、生物傳感器、熱釋電器件等，但其壓電常數和機電耦合系數小，工作范圍窄。

為了開發性能更好的水聲傳感器和生物醫學超聲器件，人們試圖尋找一種兼有陶瓷和聚合物兩者優點，并能抑制各自缺點的新材料，從而開始了陶瓷一聚合物壓電復合材料的研究。到20世紀末已相繼研制成功1-3型、3-1型、3-2型、3-3型、0-3型、2-2型以及月牙和帽狀結構的復合材料，其性能較壓電陶瓷有大幅度提高。雖然各種壓電復合材料的性能因其組成和連通結構不同，差異甚大，但它們都具有以下優點：1、聲阻抗小，易于與水和生物組織匹配；2、機電耦合系數高，能有效地實現不同能量形式之間的轉換；3、柔軟，能方便地做成各種形狀，尤其用于制作B超的凸陣探頭時，加工特別方便；4、較低的機械Q值，脈沖回波信號帶寬寬，適于制作寬帶換能器；5、較高的靜水壓壓電常數，即d_h·g_h比PZT的高得多，非常適合作水聲器件。0-3型和1-3型制作成本較其它型壓電復合材料低，因此這兩類材料發展迅速，己形成實用化商品，成為目前研究最多、最深入、應用最廣泛的一種壓電復合材料。

1-3型壓電復合材料的切割填充法流程如圖1所示，其制作工藝簡單，易于控制，成品的重復性好，可大量制備，多為商界生產廠家所采用，是目前用于醫學超聲的I-3型壓電復合材料最主要的制備方法。用高速旋轉的金鋼砂輪在垂直于極化方向的壓電陶瓷面上，沿x方向切割，灌注環氧樹脂，再沿Y方向切割，灌注環氧樹脂，除去未切通的部分，重新制備電極后制成1-3型壓電復合材料。

采用上述方法制作出來的1-3型壓電復合材料的兩面電極都需重新制備，一般采用低溫真空蒸餾法，該種方法制作的電極與復合材料粘接度并不高，且不宜進行高溫導線焊接。

發明內容

本發明的目的正是要克服上述技術的不足，而提供一種耐高溫雙層壓電復合材料元器件制備方法，可以用于水聲、醫用超聲、工業超聲等方面。

本發明解決其技術問題采用的技術方案：這種耐高溫雙層壓電復合材料元器件制備方法，包括如下步驟：

(1)、在原壓電材料元件垂直于極化方向的一個端面上，切割出雙層壓電復合材料坯體，坯體由兩部分組成，一部分是原壓電材料元件未切割的端面部分，另一部分是切割形成的壓電材料顆粒呈并行周期排列；

(2)、將雙層壓電復合材料坯體放置于灌注模具內，配置并灌注聚合物后進行加壓固化；灌注處理和加壓固化過程都是在60℃～80℃之間的環境中進行，灌注模具帶有加壓裝置，待聚合物灌注后，在灌注端面上加壓，壓力范圍在0.5MPa～3MPa內，使得壓電陶瓷顆粒電極層不被聚合物覆蓋，聚合物固化時所加的壓力可防止復合材料因聚合物固化收縮引起的形變。

(3)、聚合物固化后，在端面上制備新的電極層，得到雙層壓電復合材料。

作為優選，在制備過程中聚合物應先后進行兩次除氣泡處理，每次持續時間不短于10分鐘，首先在聚合物配置容器中進行抽真空除氣泡，灌注完畢后再進行一次抽真空除氣泡，在60℃～80℃高溫下進行。

作為優選，聚合物固化后，將切割端面的一層薄聚合物去除，并將原電極打毛，采用磁控濺射鍍膜技術制作新電極層，新電極層與原電極層緊密結合。

作為優選，切割縫內的填充聚合物，聚合物可以是任意高分子材料，常用為環氧樹脂、聚氨酯或者橡膠材料，還可添加相關填料進行混合，用以改善聚合物特性，填料的顆粒直徑不大于100目，聚合物的初始狀態是液態，在60℃～80℃之間的高溫下通過一定的化學反應而固化。