一种三角形阵元压电复合材料换能器制备方法与流程

本发明属于水声换能器领域，主要是一种三角形阵元压电复合材料换能器制备方法。

背景技术：

在高频换能器设计和应用上，采用压电复合材料是较为常见的方式，压电复合材料是由两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的压电复合材料是由压电陶瓷(如pzt或钛酸铅)或压电单晶和聚合物(如橡胶或环氧树脂)组成的。影响压电复合材料特性的因素有联通性、两种材料的特性、各个材料的体积占有率及形状和尺寸等。复合材料的联通性反映了各组元在三维空间自身相互联结的方式。联通性决定了复合材料中电场、磁场和应力的分布情况，因而对性能有很大的影响。在复合材料中，如某种材料被其他材料隔离，则称该种材料为0联通；如某种材料在三维空间的一个、两个或3个方向上自我联通，则分别称为1联通、2联通和3联通。例如，压电陶瓷粉粒分散在橡胶聚合物中形成0-3联通性压电复合材料，压电陶瓷柱分散在环氧树脂中形成1-3型压电复合材料。

1-3型压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的具有压电效应的两相压电复合材料。1-3型压电复合材料由于在某种程度上克服了纯压电陶瓷在强度、脆性方面的缺陷，同时大大增大了其在纵向的耦合系数，因此成为目前研究最多、最深入、应用最广泛的一种压电复合材料。

目前，国内常见的1-3型压电复合材料换能器其压电陶瓷阵元均为四方形，是通过对压电陶瓷元件水平和垂直切割的方式，然后在缝隙中填充聚合物，在阵元尺寸上也受到切割设备的一些限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种三角形阵元压电复合材料换能器制备方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种三角形阵元压电复合材料换能器制备方法，换能器采用三角形压电复合材料制作，换能器能够有更好的纵横比以及工作带宽。所述的三角形压电复合材料制作时，对压电元件进行水平、垂直以及45°角方向进行三次切割，45°角方向的阵元间距为水平和垂直方向阵元间距的倍，切割形成的压电陶瓷柱作为三角形阵元。

在压电元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，然后对换能器进行水密封装。

本发明的有益效果为：制作时对压电元件进行水平、垂直以及45°角方向进行三次切割，压电陶瓷柱为三角形阵元，从而进一步提高了压电陶瓷柱的纵横比，改善其横向振动的影响。本发明制作工艺简单，与正方形复合材料相比，性能得到提高；该换能器可应用于高频成像声纳、水下探测、及海上工程实施等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：压电元件1，聚合物2。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

如图1所示，这种三角形阵元压电复合材料换能器制备方法，换能器采用三角形压电复合材料制作，换能器能够有更好的纵横比以及工作带宽。所述的三角形压电复合材料制作时，对压电元件进行水平、垂直以及45°角方向进行三次切割，45°角方向的阵元间距为水平和垂直方向阵元间距的倍，切割形成的压电陶瓷柱作为三角形阵元，进一步提高复合材料纵横比。在压电元件1的缝隙中灌注聚合物2，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，然后对换能器进行水密封装。

具体的实施方式分为以下几个步骤：

步骤1：阵元的设计

根据需要的工作频率，仿真设计阵元的厚度尺寸，利用阵元的厚度振动，避免其强耦合振动区域，通过调整横向尺寸，控制阵元的谐振频率，横向尺寸尽量小于厚度方向，阵元的纵横比大于2以上，三角形的直角边长为2mm×2mm，压电阵元采用pzt4材料。

步骤2：压电元件(陶瓷元件)的切割

设计合适的夹持模具，将φ60mm的压电陶瓷圆片进行切割，首先进行水平方向切割，阵元间距2.4mm，切割缝隙0.4mm，然后旋转90°，进行垂直方向切割，阵元间距2.4mm，切割缝隙0.4mm，切完后再次旋转45°，阵元间距1.69mm。

步骤3：灌注聚合物

将元件置于灌注模具中，在阵元的缝隙中填充聚合物，在聚合物的灌注过程中，要首先对聚合物胶进行抽真空处理，防止空气泡的藏匿，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满聚合物。

步骤4：研磨及电极处理

为了得到设计的工作频率，对灌注好的三角形压电复合材料进行内表面和外表面的研磨，将其厚度尺寸磨至设计尺寸，然后对表面进行清洁处理，利用磁控溅射或蒸镀方式制作银层，从而获得压电复合材料的正极和负极。

步骤5：换能器水密处理

为满足换能器阵在水中的使用以及性能测试，对其表面进行水密处理，在外侧灌注一层4mm厚度的水密材料，材料为聚氨酯。

灌注后将换能器的正负极导线通过带屏蔽的电缆引出，电缆与换能器金属后座之间通过水密电缆头连接。

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。

技术特征：

技术总结
本发明属于水声换能器领域，是一种三角形阵元压电复合材料换能器制备方法，制作时对压电元件进行水平、垂直以及45°角方向进行三次切割，压电陶瓷柱为三角形阵元，从而进一步提高了压电陶瓷柱的纵横比，改善其横向振动的影响，在元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，然后对换能器进行水密封装。本发明的优点为：制作工艺简单，与正方形复合材料相比，性能得到提高。该换能器可应用于高频成像声纳、水下探测、及海上工程实施等。

技术研发人员：仲林建;刘刚华;黄东;张凯;钟琴琴;董铭锋
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七一五研究所
技术研发日：2019.03.25
技术公布日：2019.08.16