CN114290542A - 一种基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多线切割技术的1‑3复合材料制备方法，属于电子元器件制造技术领域。该方法由传统压电陶瓷基体制备、上电极、多线切割以及后续的灌注、加工、印制电极等工艺过程组成。本方法发明的单、双面多次切割工艺，充分发挥了多线切割小应力、接近常温切割的特点，实现对极化后的压电陶瓷进行高精度切割，制备的复合材料无明显退极化，能够充分发挥基体材料性能，避免了传统工艺灌注后极化困难的不利影响。与传统工艺相比，适合批量式生产，具有明显的技术优势。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件制造技术领域，主要是一种基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法。
背景技术
1-3压电复合材料克服了纯压电陶瓷在强度、脆性方面的缺陷，具有重量轻、声阻抗匹配性能好、探测频带宽、发射方向性好、横向耦合噪声低、可加工性和设计性强等特点，是目前研究最多、最深入的一种压电复合材料，广泛应用于鱼雷尾流制导探测，水下无人潜航器声纳探测，反蛙人声纳、水下警戒声纳、水下扫雷探测，潜海地貌成像探测，医学领域超声探测，高频相控阵等领域。
1-3型复合材料主要的传统制备方法工艺流程如下：
1、注射成型方式制备复合材料工艺：注射成型陶瓷基体制备-灌注-加工-电极制备-极化-复合材料。
2、刀片(砂轮)切割制备复合材料工艺：传统压电陶瓷基体制备-切割-灌注-加工-电极制备-极化-复合材料。
注射成型制备工艺，陶瓷单元柱(颗粒)烧结收缩后难以进行后续加工，导致陶瓷单元柱尺寸、位置、形状难以精准控制，小批量试验模具费用高，一定程度上制约着注射成型的研究与开发。传统刀片(砂轮)切割制备1-3压电复合材料的方法成本高、周期长、重复性差，刀片切割对陶瓷单元柱产生的应力大(可能导致退极化)，精细切割时存在单元柱容易断裂的风险。
另外，传统制备方法中，都是灌注加工后进行极化的，压电陶瓷的矫顽场通常大于2.5kv/mm，大于灌注材料(填充物质)的击穿电压，这给传统复合材料制备过程中的极化环节带来了较大的不利影响，极化电压过高容易出现严重的击穿，极化电压不足压电陶瓷性能又无法充分发挥。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，主要包括传统的压电陶瓷基体制备、上电极、极化、多线切割、灌注、加工和电极制备，本方法发明的单、双面多次切割工艺，充分发挥了多线切割小应力、接近常温切割的特点，对极化后的压电陶瓷进行高精度切割，制备的复合材料无明显退极化，能够充分发挥基体材料性能。其中多线切割步骤如下：
(1)、单面切割加工连通型1-3复合材料时，加工件横向切割后，旋转90度，进行纵向切割；当单次切割无法达到需要的尺寸时，通过同方向多次切割实现，对线缝间存在需要剔除的剥离片进行厚度控制；
(2)、双面切割加工非连通型1-3复合材料时，加工件一面横向切割后，翻转到另一面，进行垂直方向的切割；当单次切割无法达到需要的尺寸时，通过同方向多次切割实现，对线缝间存在需要剔除的剥离片进行厚度控制。
加工件可以选择单面切割或双面切割，单面切割适合加工连通型1-3复合材料。切割预留的连通基板厚度为1mm～2.5mm，单面切割只需要考虑单侧的连通基板厚度，双面切割需要考虑双侧连通基板的厚度，避免后续加工(磨削掉两侧连通基板)时余量不足。
后续灌注固化过程中，灌注填充物质的收缩相对均匀，单元柱承受的形变应力更小，可以大大降低单元柱断裂风险，灌注固化的效果更佳。切割后去除多余剥离片和残留边角，超声波清洗，烘干备用。
当单次切割无法达到需要的尺寸时，可以通过同方向多次(两次或以上)切割实现，多次切割中，线缝间存在需要剔除的剥离片，其厚度控制对切割品质有较大影响，剥离片太薄，影响加工效率和切割面的垂直度；剥离片太厚，影响剔除剥离片后的断面品质。切割单元柱尺寸(边长)a(mm)，布线辊轮槽距b(mm)，切割线径c(mm)，剥离片厚度d(mm)，相邻单元柱之间的距离e，切割次数n，切缝与切割线径的比值λ，切割陶瓷时，λ＝1.09±0.05；上述参数之间具有a＝b﹣e，e＝n·c·λ﹢(n－1))·d的关系。
作为优选，切割线选择金刚丝线，线径选择0.10mm～0.35mm，调整布线收放系统、张力控制系统和辊轮转速，线速度控制在200m/min～600m/min之间，线张力在20N～80N之间，进给速度控制在0.40mm/min～0.85mm/min之间，切割时研磨液循环系统处于开启状态，保持对切割线的持续冷却。
作为优选，切割陶瓷材料时，线径(0.22±0.05)mm，线速度(450±50)m/min，线张力(50±20)N。
多次切割时，剥离片厚度d控制在0.15mm～0.26mm。当进行精细单元柱切割，即a接近0.25mm，不需要剥离片，此时a＝d，通过设计切割次数n控制陶瓷相百分比含量。
作为优选，多次切割时，当需要切割的单元柱尺寸a大于0.30mm时，剥离片厚度控制在0.15mm～0.26mm；切割预留的连通基板厚度为1mm～2.5mm。
作为优选，当需要切割的单元柱尺寸a小于0.30mm时，不再适宜通过剔除剥离片(厚度d)达到切割目标设计；通过纵向进给调节使a＝d，选择合适的金刚丝线、布线辊轮槽距和切割次数n，达到需要的复合材料参数。
作为优选，配制并灌注环氧等填充物后，填充物选用环氧树脂(E-44或E-51)，固化剂选用二乙烯三胺或2-乙基-4-甲基咪唑，固化剂与环氧树脂按重量比2％～25％进行配制，搅拌均匀后真空脱泡。无尘环境下进行灌注，灌注后在温度≤120℃环境下固化，固化并冷却至室温后加工成需要的尺寸，主平面涂覆电极，测试后完成制备过程。灌注采用的填充物选用环氧树脂E-51或E-44，固化剂选用二乙烯三胺或2-乙基-4-甲基咪唑，固化剂与环氧树脂重量比例3％～8％，灌注固化温度45℃～90℃。
作为优选，电极材料采用常温固化导电银浆，银浆固化温度≤120℃，采用丝网印刷技术印制电极，电极任意两点的电阻≤1.2Ω。
本发明的有益效果为：该方法发明的单、双面多次切割工艺，充分发挥了多线切割小应力、接近常温切割的特点，实现对极化后的压电陶瓷进行高精度切割，制备的复合材料无明显退极化，能够充分发挥基体材料性能，避免了传统工艺灌注后极化困难的不利影响。与传统工艺相比，适合批量式生产，具有明显的技术优势。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为多线切割系统示意图。
图3为切割区域俯视图。
图4为布线辊轮剖面图。
图5为单面两次切割后陶瓷元件剖面图。
图6为双面切割后陶瓷元件示意图。
图中：1-进给系统、2-多线切割区、3-研磨液循环系统A、4-研磨液循环系统B、5-工件固定装置、6-张力控制系统、7-布线收放系统、8-布线辊轮A、9-布线辊轮B、10-切割线、11-辊轮槽距、12-单元柱、13-切缝、14-切割剥离片、15-单面切割连通基板、16-双面切割连通基板A、17-双面切割连通基板B。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
本发明提供了一种基于多线切割技术的1-3压电复合材料制备方法，生产工艺流程如图1，该方法由主要包括传统的压电陶瓷基体制备、上电极、极化、多线切割、灌注、加工和电极制备等工艺过程组成。多线切割系统示意图如图2，多线切割系统主要由进给系统1、布线辊轮A8、布线辊轮B9、研磨液循环系统(研磨液循环系统A3、研磨液循环系统B4)、张力控制系统6、布线收放系统7等组成。通过布线辊轮、张力控制系统、布线收放系统等实现多线切割和对切割线距、线张力、线速度的精确控制，使用研磨液循环系统提高切割效率和对金刚丝线的持续冷却，配合进给系统实现对压电陶瓷基材的定向、高精度切割。
切割区域俯视图如图3，布线辊轮剖面图如图4，切割元件示意图如图5、图6。
切割线10线径选择0.10mm～0.35mm，调整布线收放系统7、张力控制系统6和布线辊轮8，9的转速，使切割线10线速度在200m/min～600m/min之间，线张力在20N～80N之间。
作为优选，切割陶瓷材料时，切割线10线径(0.22±0.05)mm，线速度(450±50)m/min，线张力(50±20)N。
调整进给系统1，使进给速度在0.40mm/min～0.85mm/min之间，使工件固定装置5位于多线切割区2的正上方，切割时，保持研磨液循环系统A3、研磨液循环系统B4处于开启状态。
当单次切割无法达到需要的尺寸时，通过同方向多次(两次或以上)切割实现，多次切割中，由单元柱12的尺寸、切割线10线径、相邻单元柱的距离、切缝13与切割线10线径的比值之间的关系，计算并选择合适的辊轮槽距11和需要切割的次数。
优选的，多次切割时，剥离片14厚度d控制在0.15mm～0.26mm。
单面切割如图5，适合加工连通型1-3复合材料。切割预留的单面切割连通基板15厚度为1mm～2.5mm。
双面切割工艺如图6，双面切割需要考虑双侧的双面切割连通基板A16、双面切割连通基板B17的厚度，避免后续加工(磨削掉两侧连通基板)时余量不足。
切割后去除多余剥离片14和残留边角，超声波清洗、烘干，选择环氧树脂作为填充物，一定条件灌注固化后进行加工，然后印制电极，测试并完成1-3复合材料的制备。
实施例
本实验选用压电陶瓷基体尺寸为Φ100×10，材料P-5，为极化后性能如表1
表1 Φ100×10压电陶瓷测量性能
制备的压电复合材料目标：成品尺寸(Φ70±0.5)mm×(5.0±0.05)mm，单元柱尺寸(0.75×0.75)mm，陶瓷相体积比约25％。
选用切割线径0.22mm，选择辊轮槽距1.50mm，切割线速度420m/min，工作台进给速度0.65mm/min。选用P-5材料压电陶瓷基体进行切割时，此条件下，通过试验确认线缝和线径比值≈1.07。
一面横向切割后，翻转到另一面，进行垂直方向的切割，即采用双面切割，两面预留的连通基板厚度1.1mm～1.2mm。
同方向进行两次切割，剥离片厚度控制为0.20mm～0.25mm。
双面切割清洗后，测量单元柱尺寸和单元柱间距0.748mm～0.753mm，陶瓷相占约25％，达到切割要求。
配制环氧树脂进行灌注，选用环氧树脂E-51，固化剂选用2-乙基-4-甲基咪唑，固化剂与环氧树脂重量比5％，真空脱泡后灌注。固化温度60℃，冷却后加工成(Φ70.3×5.0)mm圆片。电极采用丝网印制常温固化导电银浆，银浆固化温度80℃，测量电极任意两点的电阻均不大于1.2Ω。
径向振动的性能参数见表2
表2 Φ70.3×5.0复合材料径向振动测量性能
如上表，Φ70.3×5.0样品相对介电常数ε换算约361，平面耦合系数KP约0.32。复合材料的KP明显小于P-5陶瓷基体的KP(约0.6)，能量更集中于厚度模。
厚度(纵向)振动的性能参数见表3
表3 Φ70.3×5.0复合材料厚向振动测量性能
从测试结果看，Φ70.3×5.0复合材料Kt约0.61。纵横耦合比(kt/kP)为1.91，高于P-5压电陶瓷纵横耦合比(kt/kP)(0.81左右)，复合材料的Kt略小于陶瓷基体的K33(约0.65)。
压电系数测量情况见表4
表4 Φ70.3×5.0复合材料压电系数测量
表4测量情况，复合材料d33测量值平均401左右，略低于压电陶瓷基体d33值(419)。
在20～900kHz范围内，只有283.92kHz的单一峰值，高频振动模态干净，设计为单一的纵振换能器时，避免了横向振动带来的不利影响。复合材料可以设计或者拼接成任意形状、任意大小，适用于多种平台共形阵(换能器)的设计，应用范围广。
该1-3复合材料制备方法与传统方法相比，具有如下优势：其单元柱尺寸控制、极化难易程度、试验成本和批生产效率对比如表5。
表5传统1-3复合材料制备方法和本制备方法优劣比较
如表5，与传统的复合材料制备方法相比，本方法克服了其制备过程中的诸多瓶颈，如复合材料难极化、精细切割废品率高、单元柱尺寸一致性差、生产效率低等不足之处，该制备方法适合高精度、批量式生产，与传统工艺相比，具有明显的技术优势。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，其特征在于：主要包括传统的压电陶瓷基体制备、上电极、极化、多线切割、灌注、加工和电极制备，其中多线切割步骤如下：
(1)、单面切割加工连通型1-3复合材料时，加工件横向切割后，旋转90度，进行纵向切割；当单次切割无法达到需要的尺寸时，通过同方向多次切割实现，对线缝间存在需要剔除的剥离片进行厚度控制；
(2)、双面切割加工非连通型1-3复合材料时，加工件一面横向切割后，翻转到另一面，进行垂直方向的切割；当单次切割无法达到需要的尺寸时，通过同方向多次切割实现，对线缝间存在需要剔除的剥离片进行厚度控制。
2.根据权利要求1所述的基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，其特征在于：切割单元柱尺寸amm，布线辊轮槽距bmm，切割线径cmm，剥离片厚度dmm，相邻单元柱之间的距离e，切割次数n，切缝与切割线径的比值λ，切割陶瓷时，λ＝1.09±0.05；上述参数之间具有a＝b﹣e，e＝n·c·λ﹢(n－1))·d的关系。
3.根据权利要求2所述的基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，其特征在于：切割线选择金刚丝线，线径选择0.10mm～0.35mm，线速度控制在200m/min～600m/min之间，线张力在20N～80N之间，进给速度控制在0.40mm/min～0.85mm/min之间，切割时研磨液循环系统处于开启状态，保持对切割线的持续冷却。
4.根据权利要求2所述的基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，其特征在于：多次切割时，当需要切割的单元柱尺寸a大于0.30mm时，剥离片厚度控制在0.15mm～0.26mm；切割预留的连通基板厚度为1mm～2.5mm。
5.根据权利要求2所述的基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，其特征在于：当需要切割的单元柱尺寸a小于0.30mm时，通过纵向进给调节使a＝d，选择合适的金刚丝线、布线辊轮槽距和切割次数n，达到需要的复合材料参数。
6.根据权利要求1所述的基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，其特征在于：灌注采用的填充物选用环氧树脂E-51或E-44，固化剂选用二乙烯三胺或2-乙基-4-甲基咪唑，固化剂与环氧树脂重量比例3％～8％，灌注固化温度45℃～90℃。
7.根据权利要求1所述的基于多线切割技术的1-3复合材料制备方法，其特征在于：电极材料采用常温固化导电银浆，银浆固化温度≤120℃，采用丝网印刷技术印制电极，电极任意两点的电阻≤1.2Ω。
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