1-3型壓電復(fù)合材料的發(fā)展歷程

摘要：1-3型壓電復(fù)合材料由于其本身具有低聲阻抗，易與水和皮膚等介質(zhì)進(jìn)行阻抗匹配，介電常數(shù)低等優(yōu)勢，在換能器上的應(yīng)用十分普遍。本文綜述了1-3型壓電復(fù)合材料的發(fā)展歷程，制備工藝，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，及制作的超聲換能器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。為進(jìn)一步優(yōu)化材料性能，實(shí)現(xiàn)其在超聲換能器中的廣泛應(yīng)用提供了良好的科學(xué)依據(jù)。

0引言

壓電超聲換能器在工業(yè)無損檢測、醫(yī)學(xué)診斷、生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用都極為廣泛，它的核心部分壓電材料在機(jī)電耦合系數(shù)，電學(xué)品質(zhì)因素、抗老化、頻帶等特性的方面要求一直在提高。然而不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π阅艿囊蟠嬖诓町?，如工業(yè)超聲檢測要求壓電材料具有高靈敏度和信噪比，水聽器要求具有較強(qiáng)的靜水壓性能以及阻抗與水匹配等，針對不同領(lǐng)域的不同要求，壓電材料也在不斷發(fā)展中。但是壓電材料各有其優(yōu)劣，很難同時滿足壓電換能器所需的不同的性能。直到1972年，日本的北山中村研制了PVDF-BaTiO3復(fù)合材料開創(chuàng)了壓電復(fù)合材料的歷史，兩種材料結(jié)合，放大了材料的優(yōu)勢性能。隨后美國濱州州立大學(xué)材料實(shí)驗(yàn)1R.E.Newnham也首次提出壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料，提出了連通性的概念，將壓電復(fù)合材料由壓電陶瓷和聚合物通過一定體積比、質(zhì)量比和不同的連通方式復(fù)合制成。連通方式有十種，分別為0-0型、0-1型、0-2型、0-3型、1-1型、1-2型、1-3型、2-2型、2-3型、3-3型，前一個數(shù)字為壓電材料的連通維數(shù)，后一個數(shù)字為聚合物的連通維數(shù)，基于Newnham的串并聯(lián)理論，Smith將復(fù)合壓電材料建模為一種有效的均勻介質(zhì),基于均勻場理論型推導(dǎo)壓電復(fù)合材料的等效本構(gòu)方程，并推導(dǎo)各個參數(shù)的計算公式由于1-3型壓電復(fù)合材料換能器在制作工藝和性能上都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，因此研究的最多的為1-3型壓電復(fù)合材料。Guraja 等人研究了1-3復(fù)合材料的聲阻抗特性以及壓電相體積分?jǐn)?shù)和頻率對材料性能的影響，證明了1-3型壓電復(fù)合材料是醫(yī)學(xué)診斷換能器應(yīng)用的理想材料；Chan等人建立了1-3型超聲復(fù)合材料參數(shù)的理論模型，給出計算超聲的速度、聲阻抗、機(jī)電耦合系數(shù)和壓電系數(shù)等的公式。Carton等人研究了1-3復(fù)合材料的共振，提供1-3壓電復(fù)合材料橫向共振模式的精確模型。20世紀(jì)八十年代壓電陶瓷與聚合物復(fù)合材料在國內(nèi)迅速發(fā)展起來，多所高校也開展了對壓電復(fù)合材料的研究并進(jìn)行換能器的研制，北京大學(xué)欒桂冬等用1-3型復(fù)合材料制作了水聽器；香港理工大學(xué)的陳王麗華提出了1-3超聲復(fù)合材料參數(shù)組合的理論模型，研究并制作了1-3型的壓電換能器，南京大學(xué)水永安等參與了1-3型復(fù)合材料的理論研究，中科院聲學(xué)所耿學(xué)倉等研制出1-3型壓電復(fù)合材料，制作了基于此材料的檢測超聲換能器，并對換能器的性能進(jìn)行了測試。20世紀(jì)以來，對于1-3型壓電復(fù)合材料在換能器方面的研究也從未停止，哈工大的張凱等人也對其在水聲器方面的應(yīng)用開展了研究，并采用有限元法建模，并制作了基于厚度振動模態(tài)和一階橫向模態(tài)的水聲換能器，使換能器帶寬得到拓展；孫瑛琦對非均勻1-3型壓電復(fù)合材料性能展開研究，提出了一種并聯(lián)振子等效電路模型去分析基于此種材料所制作的換能器的性能，并制作換能器驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。1-3型壓電復(fù)合材料換能器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用都開展了不同程度的研究，通過對1-3型復(fù)合材料自身結(jié)構(gòu)的改善等方面不提高其性能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。

1 1-3型壓電復(fù)合材料

1-3型壓電復(fù)合材料是由一維連通的壓電陶瓷相平行排列于三維連通的聚合物相形成的，加入聚合物，有效降低了陶瓷在強(qiáng)度脆性方面的弱點(diǎn)，減小了陶瓷的橫向耦合，增大了復(fù)合材料縱向機(jī)電轉(zhuǎn)換效率；具有低聲阻抗，易與水和皮膚等介質(zhì)進(jìn)行阻抗匹配；介電常數(shù)低，靜電容較小，從而換能器工作時需要輸入的阻抗較高,具有較高的接收電壓靈敏度，同時靜水壓壓電常數(shù)gh=dh/ε高，適合制造水聽器，具有等效噪聲聲壓級低和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；由于聚合物衰減較大，Qm值較低，適合制作寬帶窄脈沖換能器，是目前應(yīng)用的比較廣泛的一種壓電復(fù)合材料。1-3型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1-3型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖

1.1 1-3型壓電復(fù)合材料的制備

常見的1-3型壓電復(fù)合材料的制備工藝有排列澆筑法、切割填充法、脫模法、注射法、流延層疊法、電介質(zhì)法、擠壓法、激光超聲波切割法等。其中主要采用的有兩種，一是排列澆筑法，工藝比較成熟，將陶瓷小柱按要求靈活分布排列在模板上，在真空下灌注環(huán)氧樹脂等聚合物，高溫固化，切割或磨制成所需厚度，鍍上電極、極化，制成1-3型壓電復(fù)合材料，壓電陶瓷柱的排列課規(guī)則也可不規(guī)則，分布較為靈活，但是陶瓷較脆導(dǎo)致材料成品率低；二是切割填充法，該工藝比較簡單，將已極化的壓電陶瓷切割成均勻排列的立柱,灌注環(huán)氧樹脂，抽真空、固化，磨去未切通的部分而制成，所制得的陶瓷柱最細(xì)約為75 – 100μm，能比較靈活控制陶瓷柱的粗細(xì)。不足在于其工藝成本高，存在原材料浪費(fèi)。

1.2 1-3型壓電復(fù)合材料在換能器中的應(yīng)用

1-3型壓電復(fù)合材料在水聲換能器中有著非常好的應(yīng)用，為了進(jìn)一步提高材料性能，李鄧化等人使用切割填充法制得復(fù)合材料，并得出了陶瓷相體積分?jǐn)?shù)對靜水壓壓電常數(shù)，靜水壓靈敏值，機(jī)電耦合系數(shù)，機(jī)械品質(zhì)因素,特性阻抗的影響。李莉、孫敏等人分析得出壓電相體積分?jǐn)?shù)以及壓電小柱寬高比對其性能的影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出陶瓷相體積分?jǐn)?shù)在40%-60%之間靜水壓壓電應(yīng)變常數(shù)具有最大值，陶瓷柱寬厚比越小，陶瓷柱越細(xì)，水聲換能器靈敏度越高，可以通過減小壓電相側(cè)面邊長或者增加陶瓷柱之間溝槽寬度來實(shí)現(xiàn)減小壓電相體積分?jǐn)?shù)，更好地將1-3型壓電復(fù)合材料應(yīng)用于水聲換能器。

對于換能器，擁有大帶寬和高靈敏度是換能器的重要要求，基于此提出了一種基于分形幾何的新型1-3壓電復(fù)合材料設(shè)計，SG分形幾何的基本形狀是一個等邊三角形，通過將整個等邊三角形遞歸細(xì)分成幾個類似的等邊子三角形，實(shí)現(xiàn)更高代的分形結(jié)構(gòu)，如圖2。在接收模式下，SG分形器件可以在較寬的頻率范圍內(nèi)工作，但與其他兩種器件相比，靈敏度較低；在發(fā)射模式下，SG分形器件具有較寬的帶寬和較高的靈敏度。

圖2 SG分型幾何結(jié)構(gòu)0-2級

近年來在光聲成像和聲光成像中，1-3型復(fù)合材料也開始嶄露頭角，Li Yan 等人研制了一種基于PMN-PT/環(huán)氧樹脂的1-3型復(fù)合超聲換能器的微型內(nèi)窺鏡探頭，從復(fù)合材料的特性方面去提高材料的性能，將其用于雙模態(tài)光聲成像（PA）/超聲成像系統(tǒng)（US），與PMN-PT和鋯鈦酸鉛（PZT）復(fù)合超聲換能器相比，新型超聲換能器的帶寬有所提高，PA圖像和US圖像的信噪比有所提高，該換能器具有高壓電系數(shù)d33、高耦合系數(shù)Kt和低介電損耗，進(jìn)一步提高了傳統(tǒng)PA/US成像系統(tǒng)的靈敏度。從材料自身特性來看，溫度也對其存在很大的影響，韓精兵、顧新云等人對1-3型壓電復(fù)合材料的溫度特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)由PZT-5a/環(huán)氧樹脂制成的材料溫度在20℃-120℃之間，常數(shù)、壓電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)隨著溫度的升高而增大，彈性剛度系數(shù)和諧振頻率隨著溫度升高而降低，介電損耗則隨著溫度的升高先增大后減小再增大，當(dāng)壓電相材料改為PZT-PZM-PZN，介電損耗隨溫度增加而增大。綜合來看可能材料不同時，在介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)上的結(jié)論基本一致，而對介電損耗的影響存在差異，這些結(jié)論有助于拓展1-3型復(fù)合材料在高溫?fù)Q能器方面的應(yīng)用。不僅是壓電相改變存在影響，聚合物相的改變引起的材料性能差異也引起了學(xué)者的關(guān)注，由于聚合物相的存在，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)較低造成1-3型壓電復(fù)合材料很難在大功率超聲換能器中得到應(yīng)用。通過研究發(fā)現(xiàn)選擇低損耗、低模量的聚合物可以提高1-3壓電復(fù)合材料的機(jī)電耦合和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，從而可以使1-3型復(fù)合材料同樣能在大功率超聲換能器中的到良好的應(yīng)用。

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，超聲換能器在超聲醫(yī)療診斷中的應(yīng)用也是一個研究熱點(diǎn)。王科鑫等制成1-3壓電復(fù)合材料殼式聚焦換能器，相比較于普通陶瓷換能器改善了帶寬、機(jī)電轉(zhuǎn)換率，降低了阻抗，能在提升高強(qiáng)度聚焦醫(yī)療設(shè)備的性能方面起到重要作用；還有學(xué)者將1-3型壓電復(fù)合材料應(yīng)用于血管內(nèi)的超聲成像，由于血管較小，血管內(nèi)的超聲成像一般橫向分辨率較小，通過采用PZT/環(huán)氧樹脂1-3壓電復(fù)合材料制作成的聚焦式換能器有效的改善了這一缺點(diǎn)，通過表明1-3型壓電復(fù)合材料換能器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著光明的發(fā)展前景。

2 1-3型壓電換能器的改進(jìn)

1-3壓電復(fù)合材料在醫(yī)學(xué)超聲換能器和水下應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，然而，當(dāng)加熱或受到機(jī)械負(fù)載時，它們很容易變形。為了克服上述困難，提高壓電復(fù)合材料的穩(wěn)定性，設(shè)計了1-3-2型壓電復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)如圖3。1-3-2型為1-3型加陶瓷基底改進(jìn)而成，除了低密度、寬帶和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)外，具有穩(wěn)定的機(jī)械特性和溫度特性。

圖3 1-3-2 型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖

2.1 1-3-2型壓電復(fù)合材料在換能器中的應(yīng)用

李光等人對1-3-2壓電復(fù)合材料的研制進(jìn)行了研究并通過Newnham復(fù)合材料并聯(lián)和串聯(lián)理論推導(dǎo)計算了該的壓電常數(shù)和介電常數(shù)。M.Sakthivel,A提出了基于并聯(lián)和串聯(lián)理論的1-3-2壓電復(fù)合材料的分析模型。將其看作是傳統(tǒng)的；兩層材料復(fù)合，其中一層是1-3型復(fù)合材料，另一層是陶瓷基底，并對材料進(jìn)行了理論分析，研究了基體相極化特性的變化對1-3-2壓電復(fù)合材料整體熱機(jī)電行為的影響，發(fā)現(xiàn)在180°極化方向?qū)Φ吞沾蓷U體積分?jǐn)?shù)的聚合物基體進(jìn)行極化可以提高有效機(jī)電耦合系數(shù)。

將1-3-2型壓電復(fù)合材料換能器的特性用機(jī)電耦合系數(shù)，聲阻抗及徑向速度進(jìn)行表示?；诶碚撗芯?，還有許多學(xué)者對1-3型材料做了類似的改進(jìn)及應(yīng)用研究，鮮曉軍利用有限元分析仿真了基于1-3-2型的水聲換能器，并將實(shí)物制出放入消聲水槽中進(jìn)行測試，確定該材料制作的水聲換能器在工作頻率內(nèi)具有模態(tài)單一、高發(fā)射響應(yīng)和寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)，還將其應(yīng)用于高頻相控陣換能器，也具有明顯的優(yōu)勢；李莉研究了1-3型壓電復(fù)合材料的性能測試方法，分析了1-3型壓電復(fù)合材料在各方面的發(fā)展?fàn)顩r后，研制了改進(jìn)型1-3-2型壓電復(fù)合材料，根據(jù)串并聯(lián)理論,從1-3型復(fù)合材料的研究結(jié)果出發(fā)，利用均勻場理論和混合定律，建立了1-3-2型壓電復(fù)合材料厚度振動的宏觀等效性能參數(shù)理論模，并介紹了基于此材料研制的四種水聲換能器及基陣的結(jié)構(gòu)和制作過程，在消聲水池中測試了它們的部分性能；秦雷等人也提出了改進(jìn)型1-1-3型壓電復(fù)合材料，進(jìn)一步減少其橫向耦合，提高其壓電性能和穩(wěn)定性，制作了基于此材料的110 kH的水聲換能器，壓電性能響應(yīng)和靈敏度都有明顯提高，指向性也更好。這些研究表明改進(jìn)型1-3型壓電復(fù)合材料在水聲換能器應(yīng)用上部分性能會優(yōu)于普通的1-3型壓電復(fù)合材料，在今后的一些應(yīng)用中可以用此種材料制作超聲換能器，但在醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域中還未用到此類材料，可以朝這方面進(jìn)行一些研究。

3結(jié)論

本文主要對1-3型壓電復(fù)合材料的發(fā)展歷程、理論基礎(chǔ)及其在換能器中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了闡述，并詳細(xì)介紹了改進(jìn)后的1-3型壓電復(fù)合材料制成的換能器性能及應(yīng)用方面的發(fā)展現(xiàn)狀。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，1-3型壓電復(fù)合材料換能器相比于普通陶瓷制成換能器的優(yōu)勢較為明顯而又不同，如制作的水聲換能器具有靈敏度高，靜水壓壓電常數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)；在光聲成像中，換能器信噪比和帶寬都有明顯提高，在醫(yī)學(xué)超聲中的1-3壓電復(fù)合材料殼式聚焦換能器降低了阻抗，提高了聚焦強(qiáng)度等。然而，雖然1-3型壓電復(fù)合材料超聲換能器的優(yōu)勢突出且應(yīng)用范圍廣，但是其制作工藝比較繁瑣，不同的應(yīng)用領(lǐng)域兩相材料的體積分?jǐn)?shù)以及結(jié)構(gòu)差異都會導(dǎo)致性能的不同，因此需要找到各個領(lǐng)域材料參數(shù)的最優(yōu)值以達(dá)到材料性能最優(yōu)。另外，材料在受外力或者受熱時極易發(fā)生變形，這會嚴(yán)重影響相關(guān)聲學(xué)輻射特性。同時，結(jié)構(gòu)中存在不導(dǎo)電的聚合物，電極引出困難等也都會制約其應(yīng)用。

總的來說，1-3型復(fù)合壓電材料的應(yīng)用涉及材料、聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械等各個學(xué)科領(lǐng)域，聲子晶體這個課題的研究引起了學(xué)者們極大地興趣，從結(jié)構(gòu)來看，1-3型壓電復(fù)合材料與二維聲子晶體十分相似，將二者結(jié)合，對1-3型壓電復(fù)合材料換能器的振動特性進(jìn)行改善，將會極大地促進(jìn)壓電換能器的性能提高和應(yīng)用拓展。這些最新的研究進(jìn)展都表明1-3型壓電復(fù)合材料已經(jīng)逐漸得到越來越多研究人員的關(guān)注，表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，因此我們應(yīng)該充分利用1-3型壓電復(fù)合材料的各種優(yōu)勢，進(jìn)一步的優(yōu)化壓電換能器的性能參數(shù)，從而更廣泛的拓展其應(yīng)用領(lǐng)域并使其發(fā)揮出更大的工業(yè)價值。

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