CN106098928B - 一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法，包括两种制备工艺。其中一种制备工艺在切割形成的陶瓷阵列上下表面加入二维曲面模具，使其达到二维曲面弯曲成型，脱上模后再浇注树脂固化成型二维曲面复合材料，最后脱上下模和衬膜以形成敏感元件。另一种制备工艺首先对压电陶瓷极化方向的一面进行一定厚度的双向切割，对其填充柔性材料，再对填充柔性材料的陶瓷的对立面进行双向切割，对填充柔性材料的一面添加二维曲面模具，再对新切割的一面浇注树脂，在这一面同样放入二维曲面模具，最终固化成形二维曲面敏感元件。本发明能够制备二维曲面状的压电复合材料，能够实现水平、垂直全向地辐射声波。

Description

一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法

技术领域

本发明属于水声探测技术领域，具体涉及一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法，将其应用于换能器中实现发射和接收水声信号从而实现水中探测。

背景技术

众所周知声波是开发利用海洋资源的重要手段，这是因为声波在水中的传播距离较光、电磁波等远得多。人们利用声波这种信息载体研制了对水下目标实现探测、定位、识别和通信的电子设备—声纳。按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号的重要器件被称为声纳换能器，也叫水声换能器，它是将电信号与水声信号进行相互转换的器件，是水下通信导航、水产渔业、海洋资源开发、海洋地质地貌探测等领域应用的重要器件。

压电振子是换能器的核心部件，振子的性能决定着换能器的工作性能，因此，要想制作高性能的水声换能器，首先要提高压电振子的性能。在制作压电振子的材料中，压电复合材料因其声阻抗小、带宽大、机械品质因数高等优点被广泛应用。压电复合材料是由压电材料、聚合物、金属等通过复合工艺制成的一种多相材料，复合材料中的每个相可以以0、1、2、或3维方式自我连通。目前的复合材料有1-3型、3-1型、3-2型、3-3型、0-3型、2-2型复合材料，以及月牙和帽状金属-压电陶瓷晶片，其中1-3型压电复合材料应用最为广泛。

1、1-3型压电复合材料

1-3型压电复合材料是由一维连通的压电相小柱平行排列于三维连通的聚合物相基体中而构成的两相压电复合材料，其极化方向与压电相小柱高度方向相同。常用的压电相材料有PZT4、PZT5和弛豫铁电单晶等；常用的聚合物相材料有环氧树脂、聚氨酯和聚亚胺酯等。哈尔滨工程大学的张凯等人采用厚度模态理论和有限元方法对1-3型压电复合材料进行研究(张凯,蓝宇,李琪,1-3型压电复合材料宽带换能器,声学学报,2011.11,36(6):631-637)，制作了一个利用厚度振动模态和一阶横向模态耦合的1-3型压电复合材料元件，其工作带宽为190-390kHz，发送电压响应起伏不超过2dB。研究结果表明，利用厚度振动模态和一阶横向模态可以拓展1-3型压电复合材料换能器的带宽。

2、1-3型弧形压电复合材料

1-3型复合材料具有弯曲成形的优势，可以将其弯曲成圆形或者弧形，方便实现水平全向或者宽波束的特点。美国材料系统公司(MSI)生产的375kHz的1-3复合材料弧形元件，工作频带为208～453kHz，压电陶瓷小基元个数为100个，375kHz时水平方向性-3dB波束开角为60.5°，实现宽波束向前发射。另外该公司利用1-3压电复合材料制作了6行4列的弧形阵元件，其带宽达到8～16kHz，水平开角为150°，垂直开角30°，电压发送响应达到137dB。

3、1-3-2型弧形压电复合材料

1-3-2型弧形压电复合材料换能器(鲜晓军，林书玉，唐平.1-3-2型弧形压电陶瓷复合材料与换能器研究[J].南京大学学报(自然科学)，2015.11,51(6)：1148-1152)采用切割弧形压电陶瓷并填充有机物的方法，制作了1-3-2型弧形压电陶瓷复合材料，并进行了性能参数测试。其中，该复合材料元件的谐振频率为180kHz，-3dB带宽为20kHz，3dB开角达150°。弧形1-3-2型压电复合材料元件，在工作频带内具有模态单一，不易发生变形，高频时可实现宽波束发射以及制作工艺简单等优点，可广泛应用于水下声探测和三维成像等领域。

4、1-3型弧形或圆环压电复合材料及其制备方法

1-3型弧形或圆环压电复合材料及其制备方法(黄世峰，徐东宇，叶正茂，孙敏，程新，发明专利申请号CN 102376870，济南大学)研制了一种1-3型弧形或圆环压电复合材料，以弧形或圆形压电陶瓷为骨架，以聚合物为基体，以金属为电极，其中，一维的弧形压电陶瓷骨架平行排列于三维连通的聚合物中。通过切割—浇注制备复合材料，制作工艺简单，操作灵活性大，所得产品性能良好，成功率大，产品性能良好，解决了压电陶瓷圆环直径较大而切割机切割深度有限的矛盾，使制备过程受切割仪器影响减小。

综上，当前宽带压电复合材料元件多数以平面结构居多，工作频带较宽，但其波束开角较小，辐射和接受信息的范围有限。而弧形压电复合材料虽然已有研究，但其只能在一维水平方向弯曲，在垂直方向仍为直面。

发明内容

针对上述问题，为了同时增大压电复合材料元件水平和垂直两个方向的波束开角(空间开角)，弥补现行弧形压电复合材料仅能一维水平方向弯曲，导致垂向的波束开角较小的缺陷，本发明提出了一种二维曲面压电复合材料元件，并开发了这种二维曲面元件的两种制备方法，实现了压电复合材料二维曲面成型，同时扩展了元件的空间波速开角及频带宽度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案一如下：

一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法，其步骤包括：

1)在压电陶瓷底部粘结柔性衬膜；

2)沿第一方向切割压电陶瓷，不切透衬膜以保留完整膜面；

3)沿与第一方向垂直的第二方向切割压电陶瓷，同上保留完整衬膜；

4)通过模具对切割后形成的陶瓷柱阵列上下面进行压模，以成形二维曲面；

5)脱上模，对已成形的陶瓷柱阵列浇注树脂；

6)再添加上模，压模二维曲面以固化树脂；

7)脱上下模和衬膜；

8)制备电极。

进一步地，步骤5)和6)所述的树脂为环氧树脂，还可以采用聚氨酯等材料。

上述方法采用“在陶瓷底部添加衬膜—陶瓷切割—模具曲面成型—浇注树脂—固化脱模”的新工艺，即在切割陶瓷阵列上下表面加入二维曲面模具，使其达到二维曲面弯曲成型，脱上模后再浇注树脂固化成型二维曲面复合材料，最后，脱上下模和衬膜，形成敏感元件。

本发明采用的技术方案二如下：

一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法，其步骤包括：

1)在第一方向对压电陶瓷进行一定厚度的切割；

2)在与第一方向垂直的第二方向对压电陶瓷进行相同厚度的切割；

3)对切割后形成的陶瓷柱阵列填充柔性材料；

4)对填充柔性材料的压电陶瓷的对立面进行一定厚度的第一方向和第二方向的双向切割；

5)通过模具对切割后形成的压电陶瓷柱阵列上下面进行压模，以成形二维曲面；

6)脱上模，对已成形的陶瓷柱阵列浇注树脂；

7)再添加上模，压模二维曲面以固化树脂；

8)脱上下模；

9)制备电极。

进一步地，步骤1)中的一定厚度是指：陶瓷厚度的1/3～陶瓷厚度的1/2；

进一步地，步骤3)和4)中所述柔性材料为硅橡胶，还可以采用聚氨酯等材料；步骤6)和7)中的树脂为环氧树脂，还可以采用聚氨酯等材料。

上述方法采用“陶瓷切割—填充柔性材料—模具曲面成型—切割相反面陶瓷—浇注树脂—脱模成形二维曲面”的新工艺，即首先对压电陶瓷极化方向的一面进行一定厚度的双向切割，对其填充柔性材料，再对填充柔性材料的陶瓷的对立面进行双向切割，对填充橡胶材料的一面添加二维曲面模具，再对新切割的一面浇注树脂，在这一面同样放入二维曲面模具，最终固化成形二维曲面敏感元件。

本发明的有益效果如下：

本发明的这两种方法能够制备二维曲面状的压电复合材料，弥补了现行复合材料圆弧换能器仅能一维水平方向弯曲导致的垂直方向波束开角较小的缺陷，最终能够实现水平方向及垂直方向宽波束收发的目的。

附图说明

图1是本发明的压电复合材料的二维曲面成型工艺第一种方法的流程图。

图2是第一种方法制成的二维曲面敏感元件结构图。

图3是本发明的压电复合材料的二维曲面成型工艺第二种方法的流程图。

图4是第二种方法制成的二维曲面敏感元件结构图。

图5是第一种方法中切割陶瓷工艺图。

图6是第二种方法中第一次切割陶瓷工艺图。

图7是第二种方法中第二次切割陶瓷工艺图。

图8是第二种方法中陶瓷切割-填充硅橡胶-再次切割陶瓷工艺图。

图9是第一种成型工艺的步骤流程图。

图10是第二种成型工艺的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

实施例1：第一种制备方法

本实施例采用的是在陶瓷底部添加衬膜—陶瓷切割—模具曲面成型—浇注树脂—固化脱模的新工艺，如图1和图2所示，其步骤流程如图9所示。其中重点是设计模具成形二维曲面，再浇注树脂固化。下面具体说明该制备方法的各个步骤：

S1)添加衬膜

选用柔性衬膜，将其平整的贴在陶瓷底面，再将带有柔性衬膜的陶瓷放在石墨衬板上，准备切割。

S2)X方向切割(横向切割)

采用精密切割机，先对压电陶瓷进行x方向即横向切割(陶瓷切透)。将上述中带有柔性衬膜陶瓷的石墨衬板安装到切割机的卡盘上，设置切割参数，切槽的宽度根据陶瓷含量的体积百分比，以及切割的刀数选取。陶瓷体积百分比的选取范围为30％～70％，切槽宽度的范围0.2～0.7mm，切割的刀数根据压电陶瓷瓷条的宽度确定，一般在0.3～5mm之间。根据设置参数，编制切割程序，按操作规程进行切割。这里需要注意的是在两个方向切割时柔性衬膜不切透，保留完整膜面。

S3)Y方向切割(纵向切割)

具体实施内容同步骤S2，对压电陶瓷进行y方向即纵向切割(陶瓷切透)，形成压电陶瓷阵列，这里需要注意的是在两个方向切割时柔性衬膜不切透，保留完整膜面。图5是沿两个方向切割陶瓷的示意图。

S4)添加模具

应用模具对切割后带有柔性衬膜的压电陶瓷进行弯曲，形成二维曲面。

首先清洗陶瓷条骨架并晾干。采用聚四氟乙烯制作特定曲率的二维曲面模具内外衬，将带有切割后陶瓷的衬膜的另一面紧贴在模具内衬外表面，利用与内衬同曲率的聚四氟乙烯曲面模具合扣加压二维弯曲压电陶瓷片材。

S5)浇注环氧树脂

暂时取下聚四氟乙烯二维曲面模具，在切割的陶瓷骨架的缝隙中灌注环氧树脂。按比例配制环氧树脂，搅拌并超声振动混料，再将混合均匀的溶液放入真空箱内抽真空，排除气泡，完成环氧树脂配制。将配制的环氧树脂液体沿骨架的同一部位缓慢浇注到其中，使环氧树脂充满整个骨架，而后放入烘箱固化12h以上。在浇注过程中不易过长，以保证环氧树脂易于流动，能渗透到陶瓷骨架的每一个角落，充分浸润与陶瓷接触的界面，避免固化后界面出现剥离。

S6)脱模

待环氧树脂固化后，再将聚四氟乙烯二维曲面模具合扣加压二维弯曲复合材料片材，固化后形成二维曲面状的复合材料。

S7)制作电极

在内外表面覆电极，用于后续测量。

用乙醇清洁复合材料弯曲表面并晾干，在上下表面涂抹低温银浆，并放于150℃烘箱固化2小时，形成银层电极，用于引出信号，后续进行测量。

实施例2：第二种制备方法

本实施例采用陶瓷切割—填充柔性聚合物—模具曲面成型—切割相反面陶瓷—浇注树脂—脱模成形二维曲面的新工艺，如图3和4所示，其步骤流程如图10所示。其中重点是浇注两种不同的聚合物，设计模具成形二维曲面。下面具体说明该制备方法的各个步骤

S1)X方向切割(横向切割)

采用精密切割机，对压电陶瓷进行x方向即横向切割。通过高温熔融石蜡将压电陶瓷固定在石墨衬板上，将衬板(粘固有被切陶瓷)安装到切割机的卡盘上，设置切割参数，切槽的宽度根据陶瓷含量的体积百分比，以及切割的刀数选取。陶瓷体积百分比的选取范围为30％～70％，切槽宽度的范围0.2～0.7mm，切割的刀数根据压电陶瓷瓷条的宽度确定，一般在0.3～5mm之间。根据设置参数，编制切割程序，按操作规程进行切割。这里不需要切透陶瓷，只需要切割一定厚度，一定厚度的范围为：陶瓷厚度的1/3～陶瓷厚度的1/2。

S2)Y方向切割(纵向切割)

具体实施内容同步骤S1，对压电陶瓷进行y方向即纵向切割，同样的，是进行与x方向等厚度的切割。图6是第一次切割陶瓷(X方向切割+Y方向切割)的示意图。

S3)填充橡胶

本步骤在双向切割的缝隙内填充橡胶，形成可弯曲的复合材料片材。

首先将切割一定厚度样品骨架的四周用聚酰亚胺胶带紧密缠牢，形成注胶边框，防止灌注时橡胶溢出。聚酰亚胺胶带具有粘性佳，服贴性好，耐溶剂、机械性能好、耐磨擦、抗撕裂的特性，并且胶带揭开后被覆表面不留胶带残迹。

将硅橡胶挤出填充到压电陶瓷骨架表面，放入真空烘箱中，抽真空，当真空度达到-0.1后计时3分钟，将真空卸掉，取出样品，观察样品表面硅橡胶填充情况，如果有未充满的缝隙，再次加入硅橡胶，重复上述抽真空过程。依此类推，直到每个可观察的缝隙中均填满硅橡胶，注意整个填充过程不要超过30分钟。用酒精棉球将陶瓷骨架上表面多余的硅橡胶轻轻拭去。待陶瓷柱上表面裸露于外界后，将整个样品置于烘箱中固化，固化温度为35℃，固化时间为12h以上，亦可置于室温固化48小时。硅橡胶固化后揭下聚酰亚胺胶带，形成可弯曲的复合材料片材。

S4)相反面陶瓷切割

对与灌胶面相反陶瓷面进行一定厚度的切割，这里的厚度值＝陶瓷厚度-第一次切割厚度。具体实施内容同步骤S1和S2，分别对压电陶瓷进行x和y方向的切割。图7是第二次切割陶瓷的示意图。图8是本实施例中陶瓷切割-填充硅橡胶-再次切割陶瓷工艺图。

S5)添加模具

应用模具对切割后的压电陶瓷进行弯曲，形成二维曲面。

首先清洗陶瓷条骨架并晾干。采用聚四氟乙烯制作特定曲率的二维曲面模具内外衬，将有橡胶一面的陶瓷紧贴在模具内衬外表面，利用与内衬同曲率的聚四氟乙烯二维曲面模具合扣加压二维弯曲压电陶瓷片材。

S6)浇注环氧树脂

暂时取下聚四氟乙烯二维曲面模具，在切割的陶瓷骨架的缝隙中灌注环氧树脂。按比例配制环氧树脂，搅拌并超声振动混料，再将混合均匀的溶液放入真空箱内抽真空，排除气泡，完成环氧树脂配制。将配制的环氧树脂液体沿骨架的同一部位缓慢浇注到其中，使环氧树脂充满整个骨架，而后放入烘箱固化12h以上。在浇注过程中不易过长，以保证环氧树脂易于流动，能渗透到陶瓷骨架的每一个角落，充分浸润与陶瓷接触的界面，避免固化后界面出现剥离。

S7)脱模

待环氧树脂固化后，再将聚四氟乙烯球面模具合扣加压二维弯曲复合材料片材，最终固化形成二维曲面状的复合材料。

S8)制作电极

在内外表面覆电极，用于后续测量。

用乙醇清洁复合材料弯曲表面并晾干，在上下表面涂抹低温银浆，并放于150℃烘箱固化2小时，形成银层电极，用于引出信号，后续进行测量。

表1对比了二维曲面压电复合材料换能器、一维曲面压电复合材料换能器和平面压电复合材料换能器的波束开角性能：

表1.三种换能器性能对比

从该表1中可以看出，二维曲面复合材料制作的换能器，其在水平方向和垂直方向均具有大开角的特性，实现声波在水平和垂直两方向宽波束的传播。与一维曲面复合材料换能器对比，二维曲面复合材料换能器在垂直开角有了很大的提高。

本发明的“一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法”，其中二维曲面涵盖球面、椭圆面以及一些不规则的二维曲面。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在压电陶瓷底部粘结柔性衬膜；

2)沿第一方向切割压电陶瓷，不切透衬膜以保留完整膜面；

3)沿与第一方向垂直的第二方向切割压电陶瓷，同上保留完整衬膜；

4)通过二维曲面模具对切割后形成的陶瓷柱阵列上下面进行压模，以成形二维曲面；

5)脱上模，对已成形的陶瓷柱阵列浇注树脂；

6)添加上模，然后压模二维曲面以固化树脂；

7)脱上下模和衬膜；

8)制备电极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)和6)所述树脂为环氧树脂或聚氨酯。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)和3)中切槽的宽度根据压电陶瓷含量的体积百分比以及切割的刀数选取。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)和3)中压电陶瓷的体积百分比为30％～70％，切槽宽度为0.2～0.7mm。

5.根据权利要求1～4中任一权利要求制备的二维曲面压电复合材料元件。

6.一种二维曲面压电复合材料元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在第一方向对压电陶瓷进行一定厚度的切割，所述一定厚度为压电陶瓷厚度的1/3～1/2；

2)在与第一方向垂直的第二方向对压电陶瓷进行相同厚度的切割；

3)对切割后形成的陶瓷柱阵列填充柔性材料；

4)对填充柔性材料的压电陶瓷的对立面进行一定厚度的第一方向和第二方向的双向切割；

5)通过二维曲面模具对切割后形成的压电陶瓷柱阵列上下面进行压模，以成形二维曲面；

6)脱上模，对已成形的陶瓷柱阵列浇注树脂；

7)再添加上模，压模二维曲面以固化树脂；

8)脱上下模；

9)制备电极。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)和4)所述柔性材料为硅橡胶或聚氨酯。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤6)和7)所述树脂为环氧树脂或聚氨酯。

9.根据权利要求6～8中任一权利要求制备的二维曲面压电复合材料元件。