本發(fā)明屬于壓電材料技術領域，具體涉及一種基于剪切振動的壓電復合材料及其制備方法。

背景技術：

自從1880年居里兄弟在石英中發(fā)現(xiàn)壓電性以來，研究者們一直致力于提高壓電材料的壓電常數(shù)及其機電耦合系數(shù)，以此來提高換能器能量轉(zhuǎn)換效率。目前壓電材料主要分為壓電陶瓷、壓電單晶、壓電復合材料以及壓電聚合物四類。因其特點不同在水聲、超聲以及傳感領域具有不同的應用。

壓電復合材料是近四十年出現(xiàn)的一類材料，它由壓電材料與聚合物復合而成，它主要通過添加聚合物相來提高材料的綜合性能。自1978年美國賓夕法尼亞州立大學的Newnham等人提出了連通性的概念以后，壓電復合材料才得到長足的發(fā)展。此后，壓電復合材料進入了快速發(fā)展期。Newnham、Skinner、Klicker、Gururaja和Savakus等人進行了大量的理論和實驗研究，研制出了0-3型、2-2型、1-3型、3-1型以及3-2型等多種結(jié)構壓電復合材料。國內(nèi)的研究者也進行了相關研究。綜合制備工藝、批量生產(chǎn)的成本以及材料性能等因素，研究者們更加傾向于使用1-3型壓電復合材料。因為它比其它類型壓電復合材料具有制備工藝簡單、壓電性強、機電耦合系數(shù)大的特點。1-3型壓電復合材料特點是壓電陶瓷柱或單晶柱在厚度方向一維聯(lián)通，周圍灌注環(huán)氧樹脂等聚合物，聚合物相三維聯(lián)通。這時，研究者們意識到，復合材料內(nèi)部陶瓷的振動模態(tài)才是影響復合材料性能的主要因素。1-3型壓電復合材料就是通過將整塊陶瓷的厚度振動轉(zhuǎn)化為許多壓電柱的縱向伸縮振動(亦稱為d33模態(tài))，來提高性能的。對于壓電陶瓷材料，厚度振動機電耦合系數(shù)kt在0.5左右，而縱向伸縮機電耦合系數(shù)k33可達0.7。因此，通過改變晶柱的振動模態(tài)，1-3型復合材料等效厚度機電耦合系數(shù)會比壓電陶瓷厚度機電耦合系數(shù)提升約20％。

至此，1-3型壓電復合材料的研究已經(jīng)進入鼎盛時期，與此同時也迎來了繼續(xù)發(fā)展的瓶頸期。綜上所述，無論是采取哪種研究方法，都是基于壓電材料的d33模式。且1-3型壓電復合材料的理論研究、制備工藝已相當成熟，復合材料厚度機電耦合系數(shù)最大可達到0.89左右，距離其理論最大值0.93已經(jīng)沒有很大提升空間。壓電常數(shù)d33最大值可以達到2000左右，也已經(jīng)非常接近于弛豫鐵電單晶的d33。因此，要想進一步提高復合材料的壓電性和機電耦合系數(shù)，只能從其它振動模態(tài)入手。d15剪切振動模態(tài)，即表示在壓電陶瓷材料的1方向(非極化方向)施加電激勵時，在另外兩個方向的切向方向產(chǎn)生形變的振動狀態(tài)。對于壓電陶瓷，其壓電常數(shù)d15普遍大于d33和d31。而對于弛豫鐵電單晶，其d15的大小與晶向及材料有較大關系。對于壓電陶瓷材料，k15相比于k33也沒有明顯下降，尤其是PZT-5A型壓電陶瓷，其k15還明顯高于k33。而對于弛豫鐵電單晶，其k15的大小與晶向及材料同樣有較大關系。故剪切振動的d15模態(tài)與縱向伸縮的d33模態(tài)相比不遑多讓，但目前國內(nèi)外對于壓電材料d15模態(tài)的研究還比較少，主要是將其應用在能量收集領域。因其產(chǎn)生的是剪切形變，較難將聲波集中平面發(fā)射，故用作傳統(tǒng)換能器還不多見。

此外，這種復合材料也適用于能量收集領域。由于其選用了具有較高能量轉(zhuǎn)換效率的振動模態(tài)，且該類型復合材料可以將外界應力通過過渡結(jié)構經(jīng)放大后傳遞給壓電元件，從而產(chǎn)生應力放大效應，進一步提高輸出電信號的電壓，從而使其具有較高的敏感度。

技術實現(xiàn)要素：

為了突破傳統(tǒng)壓電復合材料應用d33模態(tài)的限制，本發(fā)明提供一種基于剪切振動(d15模態(tài))的壓電復合材料及其制備方法，創(chuàng)新性地選用具有更高壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)的d15模態(tài)來制備壓電復合材料，同時克服d15模態(tài)產(chǎn)生剪切振動的弱點，將其剪切振動通過特殊的結(jié)構設計轉(zhuǎn)化為復合材料上下表面的厚度振動，以此來達到提高復合材料性能的目的。

本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種基于剪切振動的壓電復合材料，包括壓電材料和被動性材料；所述壓電材料包括沿x軸正向極化的壓電材料和沿x軸負向極化的壓電材料，兩種極化方向的壓電材料沿x軸方向交替排列；所述被動性材料包括填充層、過渡層和平面層；所述填充層設于每兩個相鄰的壓電材料之間；所述平面層位于壓電材料的兩個垂直于z軸的表面的外側(cè)，其中一側(cè)的平面層通過過渡層與奇數(shù)位置的填充層固定連接，另一側(cè)的平面層通過過渡層與偶數(shù)位置的填充層固定連接。

進一步地，在所述壓電材料的兩個垂直于z軸的表面上設置電極。

進一步地，上述復合材料在工作時，其極化方向與電場方向夾角為90度，壓電材料在電場激勵下產(chǎn)生剪切形變并帶動壓電材料間的填充層產(chǎn)生振動，且相鄰的填充層產(chǎn)生相反的振動，產(chǎn)生的振動通過過渡層傳遞到平面層上，實現(xiàn)壓電材料的剪切振動到復合材料厚度振動的轉(zhuǎn)化。

進一步地，所述復合材料結(jié)構中，可在沿x軸方向構成的壓電材料疊堆結(jié)構上增加可施加預應力的結(jié)構，如預應力螺釘，緊鎖裝置等，以提高復合材料的抗壓、抗張強度。

進一步地，所述壓電材料可以是壓電陶瓷、壓電單晶、壓電聚合物、壓電復合材料等。

進一步地，所述被動性材料優(yōu)選采用聚合物，特殊情況下亦可為金屬或陶瓷材料。所述聚合物可為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯、橡膠、有機玻璃等。在作為能量收集裝置時，不需要與水進行阻抗匹配，而是需要更加結(jié)實的結(jié)構，此時金屬或者陶瓷類材料更適合。

進一步地，所述過渡層的截面為梯形或矩形，其整體形狀可以是圓柱形、圓錐形、拋物線形等。

進一步地，所述平面層可連接在一起構成一個平面，也可以彼此獨立(即與不同位置的過渡層連接的聚合物平面層彼此獨立，不連為一體)。

一種制備上述基于剪切振動的壓電復合材料的方法，包括以下步驟：

1)將壓電材料切割成整齊排列的多個壓電材料塊；

2)在各壓電材料塊的兩個相對的表面濺射電極；

3)通過機加工的方式加工形成填充層、過渡層和平面層；

4)將填充層、過渡層和平面層與壓電材料塊粘接在一起，并引出電極，構成壓電復合材料。

一種制備上述基于剪切振動的壓電復合材料的方法，包括以下步驟：

1)在壓電材料的第一表面粘貼掩膜材料；

2)沿與所述第一表面垂直的方向?qū)弘姴牧线M行切割，形成整齊排列的多個壓電材料塊；

3)在各壓電材料塊的第一表面及切割面上濺射電極；

4)按照填充層、過渡層和平面層的形狀設計模具，將模具放置在各壓電材料塊上的合適位置；

5)利用所述模具灌注聚合物并固化，形成聚合物填充層、聚合物過渡層和聚合物平面層；

6)在與所述第一表面相對的第二表面上，重復步驟1)至5)，形成另一側(cè)的聚合物填充層、聚合物過渡層和聚合物平面層；

7)采用溫度沖擊法去除模具和掩膜材料，形成壓電復合材料。

一種水聲換能器，包括壓電復合材料振子、防水透聲層和輸出電纜，所述壓電復合材料振子采用上面所述的基于剪切振動的壓電復合材料，并通過引線將其中的壓電材料與輸出電纜連接；在所述壓電復合材料振子外部膠封防水透聲層。

一種能量收集裝置(水聽器或壓電俘能器)，包括壓電復合材料振子、增加抗壓抗張強度的夾持結(jié)構、防水透聲層和輸出電纜，所述壓電復合材料振子采用上面所述的基于剪切振動的壓電復合材料，并通過引線將其中的壓電材料與輸出電纜連接；在所述壓電復合材料振子外部膠封防水透聲層。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的基于剪切振動的復合材料，克服了d15模態(tài)產(chǎn)生剪切振動的弱點，將其剪切振動通過特殊的結(jié)構設計轉(zhuǎn)化為復合材料上下表面的厚度振動，從而提高了復合材料的性能，使其具有高的機電耦合系數(shù)和高的壓電常數(shù)，能夠用于制備大功率水聲換能器陣。本發(fā)明突破傳統(tǒng)1-3型壓電復合材料d33模態(tài)的局限性，另辟蹊徑，使d15模態(tài)在換能器振子的使用上成為可能，為新的振子結(jié)構研究提供了新思路。在軍用領域，該基于剪切振動的復合材料能夠提高聲吶系統(tǒng)的作用距離以及探測精度。在民用領域，該基于剪切振動的復合材料能夠提高超聲無損檢測、醫(yī)用超聲等的探測精度。

附圖說明

圖1是基于剪切振動的壓電復合材料結(jié)構示意圖。

圖2是基于剪切振動的壓電復合材料極化方向及振動模態(tài)示意圖。

圖3是基于剪切振動的壓電復合材料的制備方法一的流程圖。

圖4是基于剪切振動的壓電復合材料的制備方法二的流程圖。

圖5是基于剪切振動的2-2型壓電陶瓷復合材料結(jié)構示意圖。

圖6是剪切振動的壓電復合材料導納、阻抗曲線，其中(a)為電導G曲線，其橫坐標為頻率；(b)為電阻R曲線，其橫坐標為頻率。

圖7是PZT-4型壓電復合材料剪切振動的振動模態(tài)圖。

圖8是PZT-5H型壓電復合材料剪切振動的振動模態(tài)圖。

圖9A和圖9B是基于剪切振動的壓電復合材料的水聲換能器的兩種結(jié)構圖。

圖10是過渡層彼此獨立即不通過平面層連接在一起的示意圖。

圖11A和圖11B是基于剪切振動的壓電復合材料的水聽器、壓電俘能器的兩種結(jié)構圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面通過具體實施例和附圖，對本發(fā)明做進一步說明。

1.基于剪切振動的壓電復合材料的結(jié)構

本發(fā)明的基于剪切振動的壓電復合材料結(jié)構由主動性材料即壓電材料，以及被動性材料即非壓電材料構成。如圖1所示，本實施例中該復合材料由壓電陶瓷1、聚合物2構成。其中沿x軸正向極化的壓電陶瓷以及沿x軸負向極化的壓電陶瓷沿x軸方向交替排列。壓電陶瓷間灌注聚合物(環(huán)氧樹脂)，垂直于z軸的兩個陶瓷面上制備電極。

圖2為上述壓電復合材料的極化方向及振動模態(tài)示意圖。由于極化方向與電場方向夾角為90度，所以會激發(fā)壓電陶瓷的d15振動模態(tài)。所述d15振動模態(tài)是指在極化方向為x方向(x正向或x負向)的壓電陶瓷材料上，施加z方向(即垂直于極化方向)的電激勵時，在x、z平面內(nèi)產(chǎn)生切向形變。如圖2所示，第一和第二個基元表示了陶瓷材料的極化方向P和電場方向E，第三、四、五個基元表示了陶瓷材料在電場激勵下產(chǎn)生的形變?？梢钥闯龅谌⒌谒膬蓚€基元共同作用可以帶動基元間的聚合物2a(聚合物填充層)相產(chǎn)生振動，而第四、五個基元共同作用可以帶動聚合物產(chǎn)生相反的振動。這種振動再通過梯形聚合物相2b(聚合物過渡層)分別傳遞到上下表面的聚合物平面2c(聚合物平面層)上，從而完成機電轉(zhuǎn)化過程，實現(xiàn)壓電陶瓷剪切振動到復合材料厚度振動的轉(zhuǎn)化。

在其它實施例中，壓電材料除壓電陶瓷外，還可以是壓電單晶、壓電聚合物、壓電復合材料等。

在其它實施例中，聚合物除環(huán)氧樹脂外，還可以是酚醛樹脂、聚氨酯、橡膠、有機玻璃，或者采用金屬、陶瓷等。

在其它實施例中，聚合物過渡層的截面除梯形外，還可以是矩形、拋物線形等，其整體形狀可以是圓柱形、圓錐形等。

上述實施例中聚合物過渡層可通過聚合物平面層連接在一起(聚合物平面層連接在一起構成一個平面)，如圖1、圖2所示。在其它實施例中，也可以彼此獨立，不通過平面層連接在一起(與不同位置的聚合物過渡層連接的聚合物平面層彼此獨立，不連為一體)，如圖10所示。

2.基于剪切振動的壓電復合材料的制備工藝流程

上述基于剪切振動的壓電復合材料采用兩相材料復合，材料的制備工藝對其性能會產(chǎn)生影響。本發(fā)明提出兩種復合材料制備工藝流程：

第一種方法，采用如圖3所示制備工藝制作該復合材料，具體包括以下步驟：

1)取一完整的壓電陶瓷塊，使用砂紙或者精密研磨機去除上下表面電極；

2)在去除電極的壓電陶瓷上，根據(jù)設計尺寸沿Z方向進行精密切割，將壓電陶瓷切割成多個壓電陶瓷塊；

3)將壓電陶瓷塊放倒，放入真空濺射儀濺射電極；

4)將壓電陶瓷塊轉(zhuǎn)換方向，在已濺射電極的對面濺射電極；

5)取一完整的環(huán)氧樹脂塊，通過機加工的方式加工成圖中所示結(jié)構；

6)按照圖中所示將環(huán)氧樹脂塊、壓電陶瓷粘接起來，最后引出電極，構成壓電復合材料。

第二種方法，采用如圖4所示制備工藝制作該復合材料，具體包括以下步驟：

1)取一完整的壓電陶瓷塊，使用砂紙或者精密研磨機去除上下表面電極；

2)在原電極表面粘貼掩膜材料；

3)根據(jù)設計尺寸沿Z方向進行精密切割，將壓電陶瓷切割成多個壓電陶瓷塊；

4)放入真空濺射儀濺射電極，沿Z軸正向從陶瓷柱間引出正極；

5)將設計好的梯形和邊界模具放置在正確位置；

6)灌注配制好的618型環(huán)氧樹脂，等待12小時，使其完全固化；

7)使用砂紙或者精密研磨機去除多余的環(huán)氧樹脂；

8)將半成品反向放置，并粘貼掩模材料；

9)根據(jù)設計尺寸沿Z方向進行二次精密切割；

10)放入真空濺射儀濺射電極，沿Z軸負向從陶瓷柱間引出負極；

11)將設計好的梯形和邊界模具放置在反面的正確位置；

12)灌注配制好的618型環(huán)氧樹脂，等待12小時，完全固化；

13)使用砂紙或者精密研磨機去除多余的環(huán)氧樹脂；

14)最后應用溫度沖擊法去除模具和掩膜材料后，形成壓電復合材料。

在上述制備工藝中，兩個聚合物平面層、聚合物梯形過渡層、聚合物填充層這三部分結(jié)構可以選擇一體澆注成型，也可以分別成型然后粘接在一起；聚合物梯形過渡層以及平面層，可以根據(jù)需要選擇輕質(zhì)鋁板、有機玻璃等透聲性能好的材料；另外，聚合物梯形過渡層以及平面層，可以根據(jù)需要為一體連接，也可以選擇彼此獨立。

3.基于剪切振動的壓電復合材料的實驗驗證與性能分析

本發(fā)明對壓電陶瓷材料的剪切振動進行了相關研究。應用PZT-4和PZT-5H型壓電陶瓷制備了長寬高分別為20mm、5mm和5mm的壓電陶瓷柱，壓電陶瓷極化方向為寬度方向，電場方向為厚度方向。應用阻抗分析儀可以測得壓電陶瓷d15模式的電導納、電阻抗曲線。實驗結(jié)果表明，PZT-5H和PZT-4型壓電陶瓷串聯(lián)諧振頻率分別為217kHz和244kHz，并聯(lián)諧振頻率分別為263kHz和279kHz。由此可計算出機電耦合系數(shù)分別為0.56和0.48。機電耦合系數(shù)相比理論值較低，這是由于剪切振動不夠單純，耦合了長度方向的振動導致的?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)長度方向尺寸來避免振動的耦合，從而提高其機電耦合系數(shù)。

為驗證該諧振頻率下的振動模態(tài)，本發(fā)明應用激光多普勒振動測量儀對上述兩個樣品進行測量，測量結(jié)果表明，壓電陶瓷振動為剪切振動。設壓電陶瓷的極化方向為x方向，電場方向為z方向，則壓電陶瓷的剪切振動發(fā)生在xz平面內(nèi)。而在y方向上，由于壓電陶瓷長度較長，沿長度方向的基頻與剪切振動在諧振頻率處產(chǎn)生耦合。如果不需要通過振動耦合來拓展帶寬，可以考慮在長度方向引入2-2型復合結(jié)構以避免振動耦合。

為驗證本發(fā)明提出的壓電復合材料結(jié)構的有效性，本發(fā)明設計了一種基于剪切振動的2-2型結(jié)構如圖5所示。圖中相鄰壓電陶瓷極化方向相反，陶瓷間灌注環(huán)氧樹脂，上下表面濺射電極。從而激勵復合材料產(chǎn)生剪切振動。該結(jié)構與本發(fā)明的壓電復合材料的區(qū)別在于沒有引入環(huán)氧樹脂過渡層，暫時不考慮將剪切振動轉(zhuǎn)化為厚度振動，只為驗證該結(jié)構可以激勵剪切振動。同樣的，復合材料中壓電陶瓷柱長寬高分別為20mm、5mm和5mm。環(huán)氧樹脂寬度為1mm。

由圖6給出的測量結(jié)果可以看出，PZT-5H和PZT-4型壓電復合材料串聯(lián)諧振頻率分別為229kHz和245kHz，并聯(lián)諧振頻率分別為270kHz和284kHz。機電耦合系數(shù)分別為0.53和0.51。對于PZT-5H型壓電復合材料，機電耦合系數(shù)由純陶瓷的0.56降低到0.53，這是由于環(huán)氧樹脂的引入增加了負載，所以降低了機電耦合系數(shù)。而對于PZT-4型壓電復合材料，其機電耦合系數(shù)從純陶瓷的0.48增加到了0.51，這是由于純陶瓷的振動模態(tài)不純凈，所以機電耦合系數(shù)不是單純剪切振動模態(tài)的系數(shù)，理論值應該更高些，而制備成復合材料以后，由于環(huán)氧樹脂的存在，抑制了干擾振動模態(tài)，使得剪切振動更加純凈，所以機電耦合系數(shù)有所增加。

圖7和圖8分別給出了PZT-5H和PZT-4型壓電復合材料振速頻譜及振動模態(tài)。圖中每一個曲線的峰值對應壓電陶瓷的某個振動模態(tài)，而插圖中則給出在振動速度最大值時，樣品表面形貌，通過觀察表面形貌的特點，可以總結(jié)出樣品在此時的振動模態(tài)。從圖中可以看出，在壓電陶瓷基元的剪切振動的帶動下，環(huán)氧樹脂處會交替出現(xiàn)波峰和波谷。如果將所有的波峰振動通過過渡層引導到圖2所示的復合材料的上表面，而將波谷的振動引導到復合材料下表面，則會產(chǎn)生本發(fā)明預期的結(jié)果。因此，通過上述實驗，可以證明本發(fā)明提出的新型復合材料的可行性。

4.采用上述壓電復合材料制備水聲換能器

分別由前文設計的兩種振子結(jié)構(一種是過渡層通過平面層連接在一起，一種是過渡層彼此獨立)制成水聲換能器，水聲換能器結(jié)構如圖9A和圖9B所示，包括壓電復合材料振子、防水透聲層、水下電纜。壓電復合材料振子由激發(fā)剪切振動的壓電陶瓷和振動過渡層構成，在陶瓷柱間分別引線與輸出電纜連接。整個換能器膠封防水透聲層，即可傳聲又能起到防水的作用。防水透聲層可以采用聚氨酯、橡膠等材料。

本實施例中采用三組過渡，雙側(cè)發(fā)射聲波，但本發(fā)明不以此為限制。在其它實施例中，根據(jù)換能器的不同應用需求以及結(jié)構設計要求，也可以采用更多組的壓電柱和過渡層。過渡層可以整體相連，也可以斷開。另外也可根據(jù)具體要求修改為單側(cè)增強發(fā)聲。

5.采用上述壓電復合材料制備水聽器和壓電俘能器

本壓電復合材料還可用于制備水聽器(即換能器接收端)和壓電俘能器。當應力施加在聚合物表面時，應力通過陶瓷塊間粘接的聚合物柱傳遞到陶瓷塊上產(chǎn)生剪切形變，由于壓電效應產(chǎn)生電荷輸出。采取該過渡層結(jié)構，實際上將聚合物表面受到的應力通過陶瓷間粘接的聚合物柱傳遞到陶瓷塊上的同時對應力起到了放大的作用，繼而產(chǎn)生較大幅度的剪切形變，輸出較大電能，故可用于制作水聽器和壓電俘能器。水聽器和壓電俘能器均可由前文設計的兩種振子結(jié)構制成，與發(fā)射換能器類似。如圖11A和圖11B所示，為了提高其抗壓抗張強度，故增加夾持固定結(jié)構。夾持結(jié)構采用兩個金屬片夾在沿x軸的壓電振子兩側(cè)，對稱用長螺絲擰緊，沿x軸施加預應力。

同發(fā)射換能器相同，本實施例中采用的陶瓷塊組數(shù)和結(jié)構均可根據(jù)不同的應用需求進行相應調(diào)整。夾持固定結(jié)構只要達到目的即可，不拘泥于此結(jié)構。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求書所述為準。