[發明專利]一種基于剪切振動的壓電復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710075924.1
• 申請日: 2017-02-13
• 公開（公告）號: CN106876576B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 秦雷;賈俊博;王麗坤
• 申請（專利權）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/37
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 邱曉鋒

本發明涉及一種基于剪切振動的壓電復合材料及其制備方法。該壓電復合材料包括壓電材料和被動性材料；所述壓電材料包括沿x軸正向極化的壓電材料和沿x軸負向極化的壓電材料，兩種極化方向的壓電材料沿x軸方向交替排列；所述被動性材料包括填充層、過渡層和平面層；所述填充層設于每兩個相鄰的壓電材料之間；所述平面層位于壓電材料的兩個垂直于z軸的表面的外側，其中一側的平面層通過過渡層與奇數位置的填充層固定連接，另一側的平面層通過過渡層與偶數位置的填充層固定連接。該壓電復合材料可用于制備水聲換能器、水聽器和壓電俘能器等。本發明創新性地將剪切振動轉化為復合材料上下表面的厚度振動，達到了提高復合材料性能的目的。

技術領域

本發明屬于壓電材料技術領域，具體涉及一種基于剪切振動的壓電復合材料及其制備方法。

背景技術

自從1880年居里兄弟在石英中發現壓電性以來，研究者們一直致力于提高壓電材料的壓電常數及其機電耦合系數，以此來提高換能器能量轉換效率。目前壓電材料主要分為壓電陶瓷、壓電單晶、壓電復合材料以及壓電聚合物四類。因其特點不同在水聲、超聲以及傳感領域具有不同的應用。

壓電復合材料是近四十年出現的一類材料，它由壓電材料與聚合物復合而成，它主要通過添加聚合物相來提高材料的綜合性能。自1978年美國賓夕法尼亞州立大學的Newnham等人提出了連通性的概念以后，壓電復合材料才得到長足的發展。此后，壓電復合材料進入了快速發展期。Newnham、Skinner、Klicker、Gururaja和Savakus等人進行了大量的理論和實驗研究，研制出了0-3型、2-2型、1-3型、3-1型以及3-2型等多種結構壓電復合材料。國內的研究者也進行了相關研究。綜合制備工藝、批量生產的成本以及材料性能等因素，研究者們更加傾向于使用1-3型壓電復合材料。因為它比其它類型壓電復合材料具有制備工藝簡單、壓電性強、機電耦合系數大的特點。1-3型壓電復合材料特點是壓電陶瓷柱或單晶柱在厚度方向一維聯通，周圍灌注環氧樹脂等聚合物，聚合物相三維聯通。這時，研究者們意識到，復合材料內部陶瓷的振動模態才是影響復合材料性能的主要因素。1-3型壓電復合材料就是通過將整塊陶瓷的厚度振動轉化為許多壓電柱的縱向伸縮振動(亦稱為d33模態)，來提高性能的。對于壓電陶瓷材料，厚度振動機電耦合系數kt在0.5左右，而縱向伸縮機電耦合系數k33可達0.7。因此，通過改變晶柱的振動模態，1-3型復合材料等效厚度機電耦合系數會比壓電陶瓷厚度機電耦合系數提升約20％。

至此，1-3型壓電復合材料的研究已經進入鼎盛時期，與此同時也迎來了繼續發展的瓶頸期。綜上所述，無論是采取哪種研究方法，都是基于壓電材料的d33模式。且1-3型壓電復合材料的理論研究、制備工藝已相當成熟，復合材料厚度機電耦合系數最大可達到0.89左右，距離其理論最大值0.93已經沒有很大提升空間。壓電常數d33最大值可以達到2000左右，也已經非常接近于弛豫鐵電單晶的d33。因此，要想進一步提高復合材料的壓電性和機電耦合系數，只能從其它振動模態入手。d15剪切振動模態，即表示在壓電陶瓷材料的1方向(非極化方向)施加電激勵時，在另外兩個方向的切向方向產生形變的振動狀態。對于壓電陶瓷，其壓電常數d15普遍大于d33和d31。而對于弛豫鐵電單晶，其d15的大小與晶向及材料有較大關系。對于壓電陶瓷材料，k15相比于k33也沒有明顯下降，尤其是PZT-5A型壓電陶瓷，其k15還明顯高于k33。而對于弛豫鐵電單晶，其k15的大小與晶向及材料同樣有較大關系。故剪切振動的d15模態與縱向伸縮的d33模態相比不遑多讓，但目前國內外對于壓電材料d15模態的研究還比較少，主要是將其應用在能量收集領域。因其產生的是剪切形變，較難將聲波集中平面發射，故用作傳統換能器還不多見。

此外，這種復合材料也適用于能量收集領域。由于其選用了具有較高能量轉換效率的振動模態，且該類型復合材料可以將外界應力通過過渡結構經放大后傳遞給壓電元件，從而產生應力放大效應，進一步提高輸出電信號的電壓，從而使其具有較高的敏感度。

發明內容