梯度多孔压电陶瓷、水听器及其制备方法

本发明涉及压电陶瓷及水声传感，尤其涉及一种梯度多孔压电陶瓷、水听器及其制备方法。

背景技术：

1、水听器是水下声学探测和被动声纳系统中的核心接收器件，其主要功能是将水下声压信号转换为电信号。低频及超低频水声信号通常具有传播距离远、幅值低和背景噪声干扰强等特征，因此要求水听器敏感元件具有较低声阻抗、高灵敏度和高压电电压响应。

2、压电陶瓷具有压电系数较高、响应速度快和制备工艺成熟等特点，是水听器敏感元件的主要材料之一。在压电陶瓷内部引入孔隙，可降低材料的介电常数和声阻抗，改善其与水介质之间的声学匹配，并有利于提高压电电压响应。然而，孔隙增加也会减少有效压电相、削弱应力传递并降低结构强度。因此，如何在降低声阻抗和介电常数的同时保持较高压电响应，是多孔压电陶瓷水听器设计中的关键问题。

3、现有多孔压电陶瓷主要采用牺牲模板法、造孔剂烧除法、凝胶注模法和冷冻干燥法等制备工艺。然而，上述方法形成的孔结构通常具有较强随机性，孔径分布、孔取向、连通性及空间分布难以精确控制，也难以实现连续可控的梯度孔隙变化从而避免声阻抗呈台阶式突变，更难以实现宏观多孔结构与微观孔结构的一体化构筑，因而难以同时兼顾低声阻抗、高电压灵敏度、低频响应和结构可靠性之间的综合性能需求。

4、光固化3d打印技术具有成形精度高、无需模具和结构设计自由度大等优点，为实现复杂多孔结构的精准设计与一体化成形提供了新的技术路径，有望通过结构调控来优化水听器敏感元件的声阻抗、灵敏度和结构可靠性。但是，现有光固化打印多孔压电陶瓷的研究与应用主要侧重于宏观孔结构的成形，对微观孔隙的尺寸控制、连通性设计及其与宏观结构之间的协同调控仍显不足。单一尺度的孔结构设计难以有效协调声学匹配、介电性能、压电响应和结构强度之间的矛盾关系，制约了高性能水听器敏感元件的发展。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种水听器用梯度多孔压电陶瓷及其制备方法，通过光固化3d打印技术实现孔隙率沿径向由外向内连续递减的宏观多孔结构，同时在陶瓷基体内部形成分布均匀的微观孔隙，实现了宏观孔与微观孔的一体化构筑，获得兼具低声阻抗、高电压灵敏度和良好结构可靠性的水听器敏感元件。

2、本发明提供了一种水听器用梯度多孔压电陶瓷，包括压电陶瓷基体，所述压电陶瓷基体的孔隙率沿径向由外向内连续递减，形成外围高孔隙率区、中间梯度过渡区和中心相对致密区；

3、所述外围高孔隙率区的孔隙率为：50%~70%；

4、所述中心相对致密区的孔隙率为：10%~20%；

5、所述中间梯度过渡区的孔隙率呈连续梯度递减。

6、本发明还提供了一种梯度多孔压电陶瓷水听器的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤s1、采用参数化建模方法，建立所述梯度多孔压电陶瓷的三维结构模型；

8、步骤s2、配置陶瓷浆料，利用光固化3d打印技术，制备压电陶瓷坯体；

9、步骤s3、去除压电陶瓷生坯中的有机物，进行烧结处理，得到多孔压电陶瓷。

10、优选的，步骤s1具体包括：将模型沿径向划分为外围区、中间区和中心区，通过三周期极小曲面（tpms）结构构建各区域，并分别设定各区域的结构类型及结构参数，使外围区、中间区和中心区的孔隙率由外向内连续递减。

11、在上述方案的基础上，进一步优选的，步骤s1中，所述三周期极小曲面结构选自gyroid型、diamond型、primitive型或i-wp型中的一种或多种。

12、本发明通过调控三维结构模型的单元尺寸、壁厚及等值面参数，构建了外围高孔隙率区、中间梯度过渡区和中心相对致密区的宏观梯度多孔结构模型，利用3d打印技术实现了宏观梯度多孔压电陶瓷的制备，解决了现有多孔压电陶瓷水听器难以兼顾低声阻抗、高压电灵敏度和高结构可靠性的技术矛盾。其作用机理在于：外围高孔隙率区通过降低表观密度和弹性模量使声阻抗趋近于水介质，改善了与水介质之间的声学匹配，确保声能高效透入；中间梯度过渡区实现了声阻抗和结构刚度由外至内的平缓过渡，避免声波在孔隙率突变即阻抗突变界面处发生反射损耗，同时消除孔隙率突变引起的局部应力集中，提高抗静水压能力；中心相对致密区保持高压电相含量，在极化处理后贡献高压电电压响应和足够的力学强度，为整个元件提供结构支撑。三个功能区域相互配合，使敏感元件同时获得低声阻抗、高灵敏度、宽频带响应和优异的结构可靠性。

13、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中的陶瓷浆料，包括陶瓷粉体、光固化单体、光引发剂、相分离组分和分散剂。

14、光固化单体包括丙烯酸酯类单体和丙烯酸酯类低聚物中的一种或多种。

15、相分离组分为聚乙二醇（peg）、聚丙二醇（ppg）、聚乙烯吡咯烷酮（pvp）、聚乙烯醇（pva）中的至少一种。

16、压电浆料中陶瓷粉体质量分数为70%～85%，相分离组分的质量分数为3%～5%，光固化单体的质量分数为10%~25%，光引发剂的质量分数为0.5%~3.0%。

17、所述压电浆料中，陶瓷粉体的质量分数为70%～85%，用于保证烧结后陶瓷骨架的完整性和成形性能；相分离组分的质量分数为3%～5%，用于在后续脱脂烧结过程中形成微观孔隙，同时避免因含量过高导致结构强度下降；光固化单体的质量分数为10%～25%，用于调节浆料流动性并保证光固化成形；光引发剂的质量分数为0.5%～3.0%，用于保证浆料具有适宜的光固化反应速率和固化深度。

18、优选的，步骤s3中去除压电陶瓷生坯中的有机物包括了，对所述压电陶瓷生坯进行清洗和脱脂处理，去除其中的非光聚合相分离组分，形成微观孔隙，得到宏微观多孔生坯。

19、本发明还提供了一种水听器，包括了上述水听器用梯度多孔压电陶瓷。

20、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

21、（1）通过在水听器用压电陶瓷中设置宏观梯度多孔结构，构建孔隙率递减的三个不同的功能区域，使水听器形成功能梯度，其声阻抗可达到6.5mrayl，在1 khz下接收灵敏度由可达-194.5 db，压电系数仍保持在171.5 pc/n以上，抗压强度维持在2.1 mpa以上，显著改善了压电陶瓷与水介质的声学匹配，且达到在降低声阻抗和介电常数的同时保持较高的压电响应和结构稳定性的效果；

22、（2）本发明通过光固化3d打印实现的连续梯度孔隙结构，孔隙率由外向内呈平滑渐变，声阻抗无突变界面，可有效避免应力集中，从而实现低声阻抗匹配的同时，兼具更高的接收灵敏度和结构可靠性；

23、（3）利用紫外光聚合和诱导相分离的协同作用，实现了宏观多孔结构与微观孔隙的一体化构筑，使水听器敏感元件在低声阻抗与高结构可靠性之间获得更好的平衡，有效提升了压电响应及其接收灵敏度。

1.一种水听器用梯度多孔压电陶瓷，其特征在于，包括压电陶瓷基体，所述压电陶瓷基体的孔隙率沿径向由外向内连续递减，形成外围高孔隙率区、中间梯度过渡区和中心相对致密区。

2.如权利要求1所述的水听器用梯度多孔压电陶瓷，其特征在于，所述外围高孔隙率区的孔隙率为：50%~70%；

3.如权利要求1或2所述的水听器用梯度多孔压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的水听器用梯度多孔压电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1具体包括：将模型沿径向划分为外围区、中间区和中心区，通过三周期极小曲面结构构建各区域，并分别设定各区域的结构类型及结构参数，使外围区、中间区和中心区的孔隙率由外向内连续递减。

5.如权利要求4所述的水听器用梯度多孔压电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述三周期极小曲面结构选自gyroid型、diamond型、primitive型或i-wp型中的一种或多种。

6.一种水听器，其特征在于，包括权利要求1或2所述的水听器用梯度多孔压电陶瓷。