CN113066925A - 压电复合材料的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电复合材料的加工方法，包括如下步骤：1)将压电材料的第二面贴合在平面上；2)切割压电材料的第一面并在所述第一面上形成第一切割槽；3)向所述第一切割槽内填充聚合物并固化；4)将所述压电材料从所述平面上取下；5)将压电材料的第一面贴合在平面上；6)沿着所述第一切割槽切割压电材料的第二面并在所述第二面上形成第二切割槽，使所述第一切割槽和第二切割槽贯通；7)向所述第二切割槽内填充聚合物并固化；8)将所述压电材料从所述平面上取下，得到压电复合材料。本发明的压电复合材料的加工方法，能够满足阵列压电材料的加工要求，提高成品率和一致性的要求，并具有方法简单和成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明属于一般压电器件技术领域，具体的为一种压电复合材料的加工方法。
背景技术
压电超声换能器是超声无损检测的核心部件，其通过压电元件的压电效应实现电能与声能之间的转换。压电元件通常分为压电陶瓷、压电晶体、压电高分子以及压电复合材料。压电复合材料是指由压电陶瓷和聚合物按一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料，由于压电复合材料同时具备压电相和聚合物相的优点，在工业无损检测、医学超声成像等领域有着重要应用，其中1-3型压电复合材料以其优异的超声、水声性能成为研究和应用最为广泛的压电复合材料。
压电复合材料的传统制备方法主要有切割-填充法和刻蚀法。其中，刻蚀法是利用离子刻蚀进行划槽-填充，该方法设备及工艺制作成本高、加工深度有限且有侧壁腐蚀倾角，故一般用于加工频率在50MHz以上的压电复合材料。切割-填充法通过精密切割机在压电复合材料加工一定宽度和深度的刀槽，然后把聚合物填充到刀槽内固化，是一种成熟简单的加工方法，被广泛应用于实验室及商业化生产中。
切割-填充法主要用于制备频率在0.5-10MHz的压电复合材料，对于加工15MHz以上的压电复合材料，由于切割刀的刀刃薄，受加工间距、加工深度及加工方式的影响，容易导致压电相倒塌、断裂以及切槽不规则等缺陷，废品率高，即使上述缺陷未产生，也可能会由于机械应力损伤等原因导致材料性能未能达到预期。因此，现有的切割-填充法无法满足高频阵列换能器性能及一致性的加工要求，严重制约高频阵列换能器的制作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压电复合材料的加工方法，能够满足阵列压电复合材料的加工要求，提高成品率和一致性的要求，并具有方法简单和成本低廉的优点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种压电复合材料的加工方法，包括如下步骤：
1)将压电材料的第二面贴合在平面上；
2)切割压电材料的第一面并在所述第一面上形成第一切割槽；
3)向所述第一切割槽内填充聚合物并固化；
4)将所述压电材料从所述平面上取下；
5)将压电材料的第一面贴合在平面上；
6)沿着所述第一切割槽切割压电材料的第二面并在所述第二面上形成第二切割槽，使所述第一切割槽和第二切割槽贯通；所述第一切割槽和第二切割槽的深度满足：
l1+l2≥h
l1＜h
l2＜h
其中，h为压电材料的厚度；l1为第一切割槽的深度；l2为第二切割槽的深度；
7)向所述第二切割槽内填充聚合物并固化；
8)将所述压电材料从所述平面上取下，得到压电复合材料。
进一步，所述平面的平面度误差小于等于3um。
进一步，所述步骤1)和步骤5)中，采用蜡膜或UV膜将所述压电材料贴合在所述平面上。
进一步，采用蜡膜将所述压电材料贴合在所述平面上的方法为：将所述压电材料的第一面或第二面贴合在平面上的方法为：在平面上设置蜡膜，加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料的第一面或第二面通过所述蜡膜粘接在所述平面上。
进一步，所述步骤4)和步骤8)中，将所述压电材料从所述平面上取下的方法为：加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料从所述平面上取下。
进一步，所述步骤3)中，向所述第一切割槽内灌注过量的聚合物，且当聚合物固化后，去除多余的聚合物直至压电材料的第一面显现出来；
所述步骤7)中，向所述第二切割槽内灌注过量的聚合物，当聚合物固化后，去除多余的聚合物至压电材料的第二面显现出来。
进一步，所述压电材料采用压电陶瓷或压电单晶；
所述压电复合材料的构型为1-3型或2-2型；
所述压电复合材料的频率为15-30MHz。
进一步，所述聚合物采用环氧树脂、硅胶、橡胶或聚氨酯。
进一步，所述第一切割槽的深度还满足：
所述第二切割槽的深度还满足：
进一步，还包括步骤9)，在压电材料的第一表面和第二表面上分别设置电极。
进一步，所述电极通过磁控溅射、蒸镀、电镀或化学镀的方式设置在所述压电复合材料的第一表面和第二表面上。
本发明的有益效果在于：
本发明的压电复合材料的加工方法，通过分别在压电材料的第一面和第二面上切割第一切割槽和第二切割槽，并使第一切割槽和第二切割槽贯通，从而实现对整个压电材料的切割，如此，即可减小第一切割槽和第二切割槽的切割深度，有效降低压电复合材料加工过程中由于切割间距小、薄刃切割过深引起的蛇形路径、材料倒塌和材料损伤等问题，能够满足高频压电复合材料的加工要求，特别适合于频率为15-30MHz的压电复合材料的加工要求；即本发明的压电复合材料的加工方法，能够满足阵列压电复合材料的加工要求，提高成品率和一致性的要求，并具有方法简单和成本低廉的优点。
本发明的压电复合材料的加工方法还具有以下技术效果：
1、加工第一切割槽后立即灌注聚合物，对材料构成有效保护，加工第二切割槽后再次灌注聚合物，并能够减小每一次聚合物的填隙深度，填隙深度的减少对聚合物性能要求及制作工艺难度要求均降低；
2、采用平面作为硬支撑，能够有效降低由于压电材料厚度薄而导致在加工及研磨过程中的应力损伤；
3、压电复合材料为高密度加工设计，全制程采用同一平面为基准，可减少材料加工过程的累计误差，提升压电复合材料各项加工精度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明压电复合材料的加工方法实施例的流程图；
图2为本实施例压电复合材料的加工方法的流程示意图。
1-平面；2-第一面；3-第二面；4-第一切割槽；5-第二切割槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明压电复合材料的加工方法实施例的流程图。本实施例的压电复合材料的加工方法，包括如下步骤：
1)将压电材料的第二面贴合在平面上；本实施例的压电材料的长宽尺寸≥30*30mm，第一面和第二面的长宽分别为压电材料的长宽，也即第一面和第二面分别为压电材料相对的两个相互平行的面；本实施例的平面采用双面精密研磨玻璃板或不锈钢板，平面度在3um以内。
采用蜡膜或UV膜将所述压电材料贴合在所述平面上。本实施例采用蜡膜将所述压电材料贴合在所述平面上。将所述压电材料的第二面贴合在平面上的方法为：在平面上设置蜡膜，加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料的第二面通过所述蜡膜粘接在所述平面上。蜡膜为薄膜状，融化后可均匀分布于平板表面。蜡膜的加热方式为通过将平面放置在可以设置加热温度的大加热板上。
2)切割压电材料的第一面并在所述第一面上形成第一切割槽；以平面为基准，对压电材料进行切割得到独立压电相。
3)向所述第一切割槽内填充聚合物并固化；聚合物采用环氧树脂、硅胶、橡胶或聚氨酯，本实施例的聚合物采用环氧树脂。向第一切割槽内填充聚合物，聚合物灌注高度超过压电陶瓷表面，然后根据固化条件进行固化。本实施例向所述第一切割槽内灌注过量的聚合物，且当聚合物固化后，需对压电材料的第一面进行减薄处理，去除多余的聚合物直至压电材料的第一面显现出来。具体的，减薄处理为以平面为基准，研磨填充了聚合物后的压电材料至压电材料上表面显现。固化后的聚合物，可以对独立压电相起支撑和保护作用。
4)将所述压电材料从所述平面上取下；将所述压电材料从所述平面上取下的方法为：加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料从所述平面上取下。
5)将压电材料的第一面贴合在平面上；将所述压电材料的第一面贴合在平面上的方法为：在平面上设置蜡膜，加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料的第一面通过所述蜡膜粘接在所述平面上。蜡膜为薄膜状，融化后可均匀分布于平板表面。蜡膜的加热方式为通过将平面放置在可以设置加热温度的大加热板上。
6)沿着所述第一切割槽切割压电材料的第二面并在所述第二面上形成第二切割槽，使所述第一切割槽和第二切割槽贯通，本实施例的第一切割槽和第二切割槽的两侧壁分别共面；所述第一切割槽和第二切割槽的深度满足：
l1+l2≥h
l1＜h
l2＜h
其中，h为压电材料的厚度；l1为第一切割槽的深度；l2为第二切割槽的深度；
7)向所述第二切割槽内填充聚合物并固化；聚合物采用环氧树脂、硅胶、橡胶或聚氨酯，本实施例的聚合物采用环氧树脂。向第二切割槽内填充聚合物，聚合物灌注高度超过压电陶瓷表面，然后根据固化条件进行固化。本实施例向所述第二切割槽内灌注过量的聚合物，且当聚合物固化后，需对压电材料的第二面进行减薄处理，去除多余的聚合物直至压电材料的第二面显现出来。
8)将所述压电材料从所述平面上取下，得到压电复合材料。所述压电材料从所述平面上取下的方法为：加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料从所述平面上取下。
进一步的，本实施例的压电复合材料的加工方法还包括步骤9)，在压电复合材料的第一表面和第二表面上分别设置电极。具体的，电极通过磁控溅射、蒸镀、电镀或化学镀的方式设置在压电复合材料的第一表面和第二表面上。
具体的，压电材料的基体采用压电陶瓷或压电单晶；压电材料的构型为1-3型或2-2型；压电材料的频率为15-30MHz。
进一步，第一切割槽的深度还满足：
第二切割槽的深度还满足：
本实施例的第一切割槽的深度还满足：
第二切割槽的深度还满足：
本实施例的压电复合材料的加工方法，通过分别在压电材料的第一面和第二面上切割第一切割槽和第二切割槽，并使第一切割槽和第二切割槽贯通，从而实现对整个压电材料的切割，如此，即可减小第一切割槽和第二切割槽的切割深度，有效降低压电复合材料加工过程中由于切割间距小、薄刃切割过深引起的蛇形路径、材料倒塌和材料损伤等问题，能够满足高频压电复合材料的加工要求，特别适合于频率为15-30MHz的压电复合材料的加工要求；即本实施例的压电复合材料的加工方法，能够满足阵列压电复合材料的加工要求，提高成品率和一致性的要求，并具有方法简单和成本低廉的优点。
本实施例的压电复合材料的加工方法还具有以下技术效果：
1、加工第一切割槽后立即灌注聚合物，对材料构成有效保护，加工第二切割槽后再次灌注聚合物，并能够减小每一次聚合物的填隙深度，填隙深度的减少对聚合物性能要求及制作工艺难度要求均降低；
2、采用平面作为硬支撑，能够有效降低由于压电材料厚度薄而导致在加工及研磨过程中的应力损伤；
3、压电复合材料为高密度加工设计，全制程采用同一平面为基准，可减少材料加工过程的累计误差，提升压电复合材料各项加工精度。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种压电复合材料的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将压电材料的第二面贴合在平面上；
2)切割压电材料的第一面并在所述第一面上形成第一切割槽；
3)向所述第一切割槽内填充聚合物并固化；
4)将所述压电材料从所述平面上取下；
5)将压电材料的第一面贴合在平面上；
6)沿着所述第一切割槽切割压电材料的第二面并在所述第二面上形成第二切割槽，使所述第一切割槽和第二切割槽贯通；所述第一切割槽和第二切割槽的深度满足：
l1+l2≥h
l1＜h
l2＜h
其中，h为压电材料的厚度；l1为第一切割槽的深度；l2为第二切割槽的深度；
7)向所述第二切割槽内填充聚合物并固化；
8)将所述压电材料从所述平面上取下，得到压电复合材料。
2.根据权利要求1所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：所述平面的平面度误差小于等于3um。
3.根据权利要求1所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：所述步骤1)和步骤5)中，采用蜡膜或UV膜将所述压电材料贴合在所述平面上。
4.根据权利要求3所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：采用蜡膜将所述压电材料贴合在所述平面上的方法为：将所述压电材料的第一面或第二面贴合在平面上的方法为：在平面上设置蜡膜，加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料的第一面或第二面通过所述蜡膜粘接在所述平面上。
5.根据权利要求4所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：所述步骤4)和步骤8)中，将所述压电材料从所述平面上取下的方法为：加热所述蜡膜，使所述蜡膜融化，而后将所述压电材料从所述平面上取下。
6.根据权利要求1所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，向所述第一切割槽内灌注过量的聚合物，且当聚合物固化后，去除多余的聚合物直至压电材料的第一面显现出来；
所述步骤7)中，向所述第二切割槽内灌注过量的聚合物，当聚合物固化后，去除多余的聚合物至压电材料的第二面显现出来。
7.根据权利要求1所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：
所述压电材料采用压电陶瓷或压电单晶；
所述压电复合材料的构型为1-3型或2-2型；
所述压电复合材料的频率为15-30MHz。
8.根据权利要求1所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：所述聚合物采用环氧树脂、硅胶、橡胶或聚氨酯。
9.根据权利要求1所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：所述第一切割槽的深度还满足：
所述第二切割槽的深度还满足：
10.根据权利要求1-9任一项所述压电复合材料的加工方法，其特征在于：还包括步骤9)，在压电复合材料的第一表面和第二表面上分别设置电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210702 |