基于自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料及制备方法与流程

1.本发明涉及声子晶体技术领域，具体涉及一种基于自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料及制备方法。


背景技术：

2.压电超声换能器被广泛应用于各种场景中，包含超声波焊接、超声清洗、医学成像、工业检测等领域，随着需求的发展，其核心部件压电材料在灵敏度、机电耦合系数、频带宽度等特性方面的要求一直在提高。1-3型压电复合材料因其具有较低声阻抗、低介电常数、柔韧度好、机电耦合系数大等优点得到了广泛的研究及应用，厚度模式是其最常使用的工作模式，在厚度模式下工作的1-3压电复合材料易与横向振动发生耦合，导致振动模式受到干扰，影响振动能量的发射效率。
3.声子晶体是一种新型的人工周期性结构，其最基本特征为存在弹性波带隙，在带隙频率范围内的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制，而位于其他频率范围内的弹性波将几乎无损耗地传播，这种带隙特征可以用于控制声波以及弹性波的传播。从结构来看，1-3型压电复合材料与二维声子晶体十分相似，将二者结合，对1-3型压电复合材料的振动特性进行改善，将会极大地促进压电复合材料的性能提高以及应用拓展。但是目前将1-3型压电复合材料与声子晶体理论相结合的研究较少，如何利用声子晶体理论来指导1-3型压电复合材料的结构设计还不明确。


技术实现要素：

4.针对上述现状，本发明提供了一种基于自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料及制备方法，本发明1-3型压电复合材料相较于传统1-3型压电复合材料，其通过将声子晶体结构与1-3型压电复合材料相结合，使得压电振子工作时的横向振动得到较好的抑制，厚度方向的振动更加纯粹，自相似结构的引入拓宽了工作带宽，整体工作效率更高。
5.为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料，包括多个压电相、聚合物相以及上、下电极，压电相沿厚度方向极化，压电相为截面形状呈六边形的压电柱，多个压电柱以六角晶格形式排列；聚合物相填充于相邻压电柱之间，压电相在一维方向上联通，聚合物相在三维方向上联通。上电极与下电极分别位于压电柱与聚合物相复合后的上表面、下表面。
7.优选的，每个压电柱相对于周围压电柱均旋转一定角度，以保持各压电住之间没有平行面的产生。
8.优选的，压电相材料定义为pzt-5h。
9.优选的，聚合物相材料定义为环氧树脂。
10.另一方面，本发明还提供了一种基于自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料的制备方法，包括：首先把pzt粉体预压成六边形胚体，再在高温下烧结成型；经清洗干燥
后，按指定排列顺序放入夹具灌注环氧树脂，同时抽真空去除其中气泡；经固化后从夹具中取出进行抛光、打磨、清洗、干燥后放入极化盆极化，最后镀电极，即得自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料。本发明制备方法具体步骤如下：
11.s1，将压电相材料粉体注入六边形模具中，在压力机中预压成胚体；
12.s2，采用高温电阻炉在高温下将胚体烧结，烧结后保温，得到压电柱，后用超声波清洗机对压电柱进行清洗；
13.s3，在夹具中以六角晶格形式排列好多个压电柱后灌注聚合物相材料并进行抽真空处理；
14.s4，将浇筑后的压电复合材料常温下放置进行固化；
15.s5，固化后使用抛光机对上下两面进行抛光，并用丙酮清洗；
16.s6，将银浆均匀地涂在压电复合材料的上下表面形成上下电极，先(如在250℃下)烘干，后(如在900℃下)进行烧渗处理；
17.s7，将处理好的压电复合材料进行清洁，放入极化盆中极化，极化方向为厚度方向，冷却至室温。
18.优选的，步骤s1，预压的压强为100mpa至200mpa。
19.优选的，步骤s2，高温的范围为950℃至1300℃。
20.优选的，步骤s3，排列压电柱时，各压电柱的侧面相对周围压电柱的侧面均成一定角度。
21.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
22.1、本发明1-3型压电复合材料融合了声子晶体结构(压电柱按一定顺序插在环氧树脂中就是一种二维声子晶体结构，这种声子晶体结构的基体为环氧树脂，散射体为压电柱)，将压电复合材料的工作频率设置在声子晶体的带隙内，使横向振动得到了更好的抑制，降低了横向耦合运动产生的能量损耗，使厚度工作模式更加纯粹，振动效率更高，具有更大的机电耦合系数。
23.2、本发明在设计压电相截面形状的过程中引入了自相似性(体现在压电柱形状为六边形，多个压电柱的排列方式也为六边形排列，是一种二阶自相似形式)，不但拓宽了声子晶体带隙，还有效增大了1-3型压电复合材料的工作带宽。
24.3、本发明将柔性聚合物与压电材料相结合，可以有效降低压电材料的声阻抗，更易与水、空气、人体组织等介质实现阻抗匹配。
附图说明
25.图1是本发明的立体结构示意图；
26.图2a是本发明结构主视图；
27.图2b是图2a的局部(自相似型六角晶格单胞)放大图；
28.图3是本发明中自相似声子晶体的单胞能带图；
29.图4是本发明中自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料的电纳曲线；
30.图5为本发明中自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料的发射电压响应曲线(tvr)；
31.图6为传统1-3型压电复合材料的发射电压响应曲线(tvr)。
32.图1中，1、2分别为上电极、下电极，3为聚合物相，材质为环氧树脂，4为压电陶瓷柱，材质为pzt-5h。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
34.实施例1
35.如图1所示，本实施例提供了一种基于自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料，包括上电极1、下电极2、环氧树脂3、压电陶瓷柱4。
36.压电相材料定义为pzt-5h，沿厚度方向极化，聚合物相材料定义为环氧树脂3，上电极1与下电极2分别位于压电复合材料的上表面、下表面。其中，压电相为截面形状呈六边形的压电陶瓷柱4，周期性排列，每个pzt压电柱4相对于周围压电柱均旋转一定角度，以保持各压电柱之间没有平行边的产生，排列方式为六角晶格型，环氧树脂3填充于相邻压电柱4之间，压电相在一维方向上联通，聚合物相在三维方向上联通。
37.如图2所示，本实施例各结构尺寸分别为：晶格常数a＝2mm，b＝0.75mm，c＝0.8mm，压电复合材料厚度为3mm，直径46mm，压电陶瓷柱以六角晶格形式排列。
38.如图3所示，从自相似六角晶格声子晶体单胞能带曲线中可以看出在380khz至730khz之间存在带隙，带隙宽度为350khz。
39.如图4所示，压电材料电导图中最大值所对应频率为压电复合材料的厚度谐振频率约为480khz，可以发现本实施例的谐振频率位于声子晶体带隙中，这意味着此压电复合材料在厚度模式下工作时产生的横向耦合振动会由于声子晶体的带隙特性得到很好的抑制，不会与厚度模式发生耦合振动而导致振动效率的下降。
40.如图5所示，从自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料的发射电压响应曲线(tvr)中可以得出其-3db带宽约为40khz。
41.如图6所示，从传统1-3型压电复合材料的发射电压响应曲线(tvr)中可以得出其-3db带宽约为19khz，对比图5与图6可以发现采用自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料相较于传统结构1-3型压电复合材料的-3db带宽提升了21khz。
42.实施例2
43.本实施例提供了一种基于自相似声子晶体结构的1-3型压电复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
44.1、将制备好的pzt粉体注入六边形模具中，在压力机(100mpa至200mpa)下预压成胚体；
45.2、使用高温电阻炉在温度950℃至1300℃下将胚体烧结，烧结后保温2小时至2.5小时，得到pzt压电柱，后用超声波清洗机对压电柱进行清洗；
46.3、在夹具中以六角晶格形式排列好pzt压电柱后灌注环氧树脂，并进行抽真空处理，避免残留气泡影响压电复合材料工作性能。排列pzt压电柱时各压电柱相对周围压电柱均成一定角度，以保证没有平行边的产生；
47.4、将浇筑后的压电复合材料置于室内，常温下放置48小时进行固化；
48.5、材料固化后使用抛光机对其上下两面进行抛光，并用丙酮清洗试样；
49.6、将银浆均匀地涂在压电复合材料的上下表面作为电极，在250℃下烘干2小时，
再在900摄氏度下进行烧渗处理，使银层可以更好的附着在压电复合材料的上下表面；
50.7、最后将处理好的压电复合材料再次清洁，放入极化盆中极化20分钟，极化方向为厚度方向，冷却至室温后取出。
51.本发明使1-3型压电复合材料在厚度模式下的工作效率更高，同时拓宽了带宽，有望广泛应用于水声探测、无损检测、医学成像等技术领域。
52.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
53.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。