CN113659070A - 一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113659070A CN113659070A CN202110925580.5A CN202110925580A CN113659070A CN 113659070 A CN113659070 A CN 113659070A CN 202110925580 A CN202110925580 A CN 202110925580A CN 113659070 A CN113659070 A CN 113659070A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- single crystal
- piezoelectric single
- piezoelectric
- composite material
- crystal composite
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/092—Forming composite materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明公开一种压电单晶复合材料的及其制备方法和应用，方法为：取压电单晶材料样片，沿第一方向切割压电材料样片；第一方向为压电单晶材料的[010]或[100]方向；沿垂直于第一方向的第二方向对切割后的压电单晶材料样片进行切割，得到相互独立的压电单晶材料柱体并测试和筛选，将筛选后的压电单晶材料柱体分别插入树脂模具的空格中，得到树脂模具与压电材料柱体的组合体；向树脂模具与压电单晶材料柱体的组合体内注入环氧树脂，将所述环氧树脂固化，对其表面进行打磨、抛光和极化，形成压电单晶复合材料；将3D打印技术应用于压电单晶复合材料制备中，降低了对原材料径向的均一性要求，再通过本发明的切割方式，可以有效改善压电单晶柱体纵向的均一性。
Description
技术领域
本发明属于压电材料制备技术领域，具体涉及一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
1-3型压电复合材料是一种一维连通的压电陶瓷或压电单晶相与三维连通的聚合物相的结构体，这种结构的复合材料与原压电陶瓷或压电单晶相比，有着柔韧性好、声阻抗低、机电耦合系数高、水声优值高等性能优点，被广泛应用于水声换能器中，尤其对水声装备大面积共形柔性的部位更具优势。
按照不同材料、不同形状，可将压电复合材料分为不同类型。按照材料分类，压电复合材料分为压电陶瓷与压电单晶复合材料。按照形状分类，可分为平面、曲面压电复合材料。
压电陶瓷复合材料因为PZT等商业陶瓷价格低廉、性价比高，现已广泛的用于商业水声、超声换能器等行业中。但由于受到PZT压电陶瓷本身性能的制约，PZT压电陶瓷复合材料遇到严重技术瓶颈，在过去二十多年中，压电陶瓷复合材料及其相关器件性能并未获得大幅度提升。通过采用新型换能材料来提高换能器的性能是一种行之有效的途径。
近年来发展的铌镁酸铅－钛酸铅(PMN－PT)和铌铟酸铅－铌镁酸铅－钛酸铅(PIN－PMN－PT)具有高机电耦合系数，高压电系数等优势，是良好的复合材料压电相替换材料。其压电系数是PZT压电陶瓷的3－4倍，电致效应比PZT陶瓷高一个数量级，压电常数比PZT压电陶瓷高8－10倍。对于平面型压电单晶复合材料，常见的制备方法有切割-填充法和拼插法制备压电单晶复合材料；对于曲面型压电单晶复合材料，常见的制备方法有(1)通过切割-填充法制备成平面压电复合材料，通过加热使平面复合材料柔软，再利用模具曲面成型；(2)使用3D打印技术制备模具，采用拼插法制备曲面型压电单晶复合材料。
以上制备工艺皆有不同的问题需要解决，对于平面型压电单晶复合材料，第一种方法仅可制备小面积压电单晶；对于曲面型压电复合复合材料，第一种方法加热会导致压电单晶复合材料有退极化现象，降低压电单晶复合材料性能；而剩余两种方法虽然可以制备大面积压电单晶复合材料，但如需制作厚度大的材料时，所切割出来的单晶柱体上下两截面组分会出现很大的不均匀性。这是由于现阶段压电单晶材料在定向时总是沿着晶体生长方向的[001]方向进行定向，并沿着晶棒径向切割，根据弛豫铁电单晶的分凝特性，晶棒沿着生长方向有很高的组分不均匀性，因此在制作厚度较大的复合材料时，切割出来的单晶柱体上下端组分将会有很大的不均匀性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用，实现工艺简单，能批量生产厚度较大的压电单晶复合材料制备工艺。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种压电单晶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，取压电单晶材料样片，沿第一方向切割压电材料样片；第一方向为压电单晶材料的[010]方向或[100]方向；
S2，沿Y方向对S1切割后的压电单晶材料样片进行切割，得到相互独立的压电单晶材料柱体；X方向与Y方向垂直；
S3，对S2中切割得到的压电单晶材料柱体进行测试，根据测试结果对压电单晶材料柱体进行筛选，得到待用压电单晶材料柱体；
S4，采用3D打印方法制备树脂模具；
S5，将S3所得待用压电单晶材料柱体分别插入S4所得树脂模具的空格之中，得到树脂模具与压电材料柱体的组合体；
S6，向树脂模具与压电单晶材料柱体的组合体内注入环氧树脂材料，将所述环氧树脂固化，然后对表面进行打磨、抛光和极化，形成压电单晶复合材料。
S1中样片上下截面的法线方向为沿晶体生长方向的[001]方向。
S1中样片厚度与X方向切割步进距离相同，Y方向步进距离为柱体高度。
S4中树脂模具为平面型或曲面型，所述曲面为弧面、球面、椭球面或任意无规则的曲面。
S4中，3D打印树脂模具制备所采用的树脂为光敏树脂或热敏树脂，树脂模具打印精度≤0.25mm。
S3中，对所述压电单晶材料柱体筛选时，保留无裂纹的压电单晶材料柱体，并将压电系数在所设计的范围内的单晶压电材料柱体作为同级待用压电单晶材料柱体。
S6中，灌胶前在真空条件下对灌胶料进行搅拌，确保其无气泡且均匀性良好；对平面压电单晶复合材料灌胶时，将灌胶料从样品中心位置倒入模具与压电材料柱体形成的组合体中，灌胶过程中将样品置于旋转台转动。
S6中对压电单晶复合材料极化时需要对样品制备电极，平面压电单晶复合材料制备电极采用磁控溅射法；曲面压电单晶复合材料制备电极采用低温银浆涂覆或电子蒸镀法。
基于本发明制备方法所得压电单晶复合材料的应用，其特征在于，将其应用于水声换能器的大面积共形柔性的部位。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明将3D打印技术应用于压电单晶复合材料制备中，降低了对原材料径向的均一性要求，再通过本发明的切割方式，可以有效改善压电单晶柱体纵向的均一性。正是由于本发明将压电材料块体切断，形成若干相互独立的压电材料柱体，能使得模具能根据实际需求设计形状，而且采用3D打印技术实现任意形状模具的制备，相较传统制备压电单晶复合材料的方法，工艺简单；可大幅提高曲面弯曲角度可控性，同时，压电材料块体被切断独立之后，能实现挑选性能更加一致的压电材料柱体，提高整体的性能，可大幅提升高性能压电单晶复合材料的均匀性且适用批量生产。.进一步的，对所述压电单晶材料柱体进行筛选时，保留无裂纹的压电单晶材料柱体，并将压电系数在所设计的范围内的单晶压电材料柱体装入同一个模具中，能确保同一个器件中材料的性能的一致性使得器件发挥出更加准确和稳定的使用性能。
进一步的，3D打印的树脂模具制备采用的树脂为光敏树脂或热敏树脂，打印过程中形状和打印精度容易控制，并且基于方法，能够设计和制备形状更加复杂更好的器件，已达到预想的性能。
进一步的，在进行拼插前，应用软性胶或相应支撑体贴住模具一侧，以此确保压电单晶柱体的稳定性。
进一步的，灌胶前需要在真空条件下对灌胶料进行搅拌，确保其无气泡且均匀性良好。
进一步的，灌胶过程中将样品置于旋转台旋转，产生的离心力可避免灌胶料堆积于中心位置并形成气泡。
进一步的，对压电单晶复合材料极化时需要对样品制备电极，平面压电单晶复合材料制备电极采用磁控溅射法；曲面压电单晶符合材料制备电极采用低温银浆涂覆或电子蒸镀法，电极性能容易控制。
附图说明
图1为本发明一种可实施的平面型压电单晶复合材料制备过程示意图。
图2为本发明一种可实施的曲面型压电单晶复合材料制备过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
参考图1和图2，采用以下步骤制备压电复合材料：
S1，取压电单晶材料样片，沿X方向切割压电材料样片；
S2，沿Y方向对S1切割后的压电单晶材料样片进行切割，得到若干相互独立的压电单晶材料柱体；X方向与Y方向垂直；
S3，使用ZJ－3A型准静态d33测试仪对S2中切割得到的压电单晶材料柱体进行测试，并筛选出所需要的压电单晶材料柱体保存；
S4，制备3D打印树脂模具；
S5，将S3保存的压电单晶材料柱体分别插入S4所得树脂模具的空格之中，得到树脂模具与压电材料柱体的组合体；
S6，向树脂模具与压电单晶材料柱体的组合体内注入环氧树脂材料，将所述树脂固化，然后对表面进行打磨、抛光和极化，形成压电单晶复合材料。
S1中样片上下截面的法线方向为沿晶体生长方向的[001]方向。
S1中样片X方向为[010]方向或[100]方向。
S1中样片厚度与X方向切割步进距离相同，Y方向步进距离为柱体高度。
在S4中制备树脂模具时，树脂模具为平面型或曲面型，所述曲面为弧面、球面、椭球面或任意不规则的曲面，所述模具的形状根据目标器件的形状进行设计，用现有三维软件根据需求设计出模型，并采用3D打印方法打印出树脂模具。
S4中，3D打印树脂模具制备所采用的树脂为光敏树脂或热敏树脂。
并且，S4中打印模具时，树脂模具打印精度≤0.25mm。
S3中，对所述压电单晶材料柱体筛选时，保留无裂纹的压电单晶材料柱体，并将压电系数在所设计的范围内的单晶压电材料柱体装入同一个模具中。
S6中，灌胶前在真空条件下对灌胶料进行搅拌，确保灌胶料无气泡且均匀性良好。
S6中，对平面压电单晶复合材料灌胶时，将灌胶料从样品中心位置倒入模具与压电材料柱体形成的组合体中，灌胶过程中将样品置于旋转台旋转，产生的离心力可避免灌胶料堆积于中心位置，并且避免产生气泡。
S6中，对压电单晶复合材料极化时需要对样品制备电极，对于平面压电单晶复合材料制备电极采用磁控溅射法。
S6中，当压电单晶复合材料为曲面时，曲面压电单晶复合材料制备电极采用低温银浆涂覆或电子蒸镀法。
基于本发明所述制备方法得到平面型以及曲面型压电单晶复合材料。
将本发明所得平面型或曲面型压电单晶复合材料应用于水声换能器的大面积共形柔性的部位。
Claims (10)
1.一种压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，取压电单晶材料样片，沿第一方向切割压电材料样片；第一方向为压电单晶材料的[010]方向或[100]方向；
S2，沿Y方向对S1切割后的压电单晶材料样片进行切割，得到相互独立的压电单晶材料柱体；X方向与Y方向垂直；
S3，对S2中切割得到的压电单晶材料柱体进行测试，根据测试结果对压电单晶材料柱体进行筛选，得到待用压电单晶材料柱体；
S4，采用3D打印方法制备树脂模具；
S5，将S3所得待用压电单晶材料柱体分别插入S4所得树脂模具的空格之中，得到树脂模具与压电材料柱体的组合体；
S6，向树脂模具与压电单晶材料柱体的组合体内注入环氧树脂材料，将所述环氧树脂固化，然后对表面进行打磨、抛光和极化，形成压电单晶复合材料。
2.根据权利要求1所述的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，S1中样片上下截面的法线方向为沿晶体生长方向的[001]方向。
3.根据权利要求1所述的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，S1中样片厚度与X方向切割步进距离相同，Y方向步进距离为柱体高度。
4.根据权利要求1所述的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，S4中树脂模具为平面型或曲面型，所述曲面为弧面、球面、椭球面或任意无规则的曲面。
5.根据权利要求1所述的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，S4中，3D打印树脂模具制备所采用的树脂为光敏树脂或热敏树脂，树脂模具打印精度≤0.25mm。
6.根据权利要求1所述的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，S3中，对所述压电单晶材料柱体筛选时，保留无裂纹的压电单晶材料柱体，并将压电系数在所设计的范围内的单晶压电材料柱体作为同级待用压电单晶材料柱体。
7.根据权利要求1所述的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，S6中，灌胶前在真空条件下对灌胶料进行搅拌，确保其无气泡且均匀性良好；对平面压电单晶复合材料灌胶时，将灌胶料从样品中心位置倒入模具与压电材料柱体形成的组合体中，灌胶过程中将样品置于旋转台转动。
8.根据权利要求1所述的压电单晶复合材料的制备方法，其特征在于，S6中对压电单晶复合材料极化时需要对样品制备电极，平面压电单晶复合材料制备电极采用磁控溅射法；曲面压电单晶复合材料制备电极采用低温银浆涂覆或电子蒸镀法。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述制备方法所得压电单晶复合材料。
10.基于权利要求1-8中任一项所得压电单晶复合材料的应用，其特征在于，将其应用于水声换能器的大面积共形柔性的部位。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110925580.5A CN113659070A (zh) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110925580.5A CN113659070A (zh) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113659070A true CN113659070A (zh) | 2021-11-16 |
Family
ID=78491589
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110925580.5A Pending CN113659070A (zh) | 2021-08-12 | 2021-08-12 | 一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113659070A (zh) |
-
2021
- 2021-08-12 CN CN202110925580.5A patent/CN113659070A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20230189651A1 (en) | Preparation method for piezoelectric composite material, and application thereof | |
| JP2012531036A (ja) | 圧電性セラミック本体を製造する方法 | |
| WO2005054148A9 (en) | Piezoelectric device and method of manufacturing same | |
| CN105629592A (zh) | 液晶面板及其制备方法 | |
| CN106622924A (zh) | 一种压电复合材料的制作方法 | |
| CN108372572A (zh) | 高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3d成型机及打印方法 | |
| CN113659070A (zh) | 一种压电单晶复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN103796149A (zh) | 一种尖劈状声学匹配层的制作方法 | |
| CN103456879B (zh) | 基体非均匀周期排列的2-2型压电复合材料及其制备方法 | |
| CN100401545C (zh) | 基于串并联压电复合材料的器件及其制备方法 | |
| CN110270493B (zh) | 超声换能器、声阻抗匹配层及其制备方法 | |
| KR100190980B1 (ko) | 기판제조용 소성체기판 및 그 제조 방법 | |
| CN85102335A (zh) | 复合式超声换能器及其制造方法 | |
| CN115179387B (zh) | 一种木堆式pzt支架结构复合材料驱动器3d打印制备方法 | |
| CN103474569B (zh) | 压电陶瓷非均匀周期排列的2-2型压电复合材料及制备方法 | |
| CN112563407B (zh) | 一种基于PVDF-TrFE的复合压电材料的制备方法 | |
| CN114871083A (zh) | 电容式微机械超声换能器柔性柱面阵及其制备方法 | |
| JP2001025094A (ja) | １−３複合圧電体 | |
| JP2000324599A (ja) | 複合圧電体及び角柱状圧電セラミック焼結体 | |
| CN103456878B (zh) | 压电陶瓷非均匀周期排列的1-3型压电复合材料及制备方法 | |
| CN117560986A (zh) | 一种1-3型织构压电陶瓷复合材料、制备方法及其应用 | |
| JPS5821883A (ja) | 複合圧電材料の製造方法 | |
| CN108807658B (zh) | 一种低机械品质因数1-3型压电复合材料及其制备方法 | |
| CN218868611U (zh) | 一种压电复合陶瓷材料制作结构 | |
| CN113013321B (zh) | 一种压电单晶层叠驱动器的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |