一种球形压电陶瓷复合材料结构及其换能器件的制作方法

本专利涉及一种高频球形压电复合陶瓷结构，尤其涉及一种应用于水下探测与成像用高频全向换能器用压电复合陶瓷结构。

背景技术：

随着蛙人载具、uuv等小型水下装备的发展，舰艇及港口面临的水下威胁日益严峻。为防御上述小型目标的威胁，要求用于港口防御的声呐浮标装配高频、宽带、全向高性能的发射水声换能器。高频可实现对小目标的精细探测，提高探测精度和分辨率，减小声呐的探测死角、增加探测精度及探测范围。

球形压电陶瓷复合材料结构作为高频三维全向声学器件的核心敏感部件，是实现能量转化的关键器件。常用的敏感部件大多采用纯压电陶瓷材料或者压电陶瓷复合材料结构。采用纯压电陶瓷时，若制作成球状用于发射高频声波信号，由于多次谐频和模态耦合等因素，高频振动时模态杂散，导致工作频点处声波辐射效率极低；另一方面由于压电陶瓷的声阻抗远高于水或空气等常见介质的声阻抗，也会大幅降低声波振动传输效率。

目前二维曲面状压电陶瓷复合材料结构被广泛应用于水声换能器件、超声换能器件以及压力传感器件。为了满足高性能的高频三维全向换能器件研制要求，急需一种能够声辐射特性优异、工艺制作简单且结构稳定的球形压电陶瓷复合材料结构。

一般的球形压电陶瓷复合材料结构是直接采用两个纯压电陶瓷半球进行封装而成。该类材料由于声学阻抗低、制作工艺简单，可广泛被应用于高性能超声和水声器件的研发。例如专利cn102750941a以及cn106683656a等中采用的技术。

但该类压电陶瓷复合材料采用纯压电陶瓷时，由于压电陶瓷的声阻抗远高于水或空气等常见介质的声阻抗，导致声波振动传输效率极低，不能很好的应用于高频场景，使得其有效工作效率低下。

技术实现要素：

基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种球形压电陶瓷复合材料结构及其换能器件。

一种球形压电陶瓷复合材料结构，所述球形压电陶瓷复合材料结构包括呈球形分布的多个压电陶瓷基元，每个压电陶瓷基元与其相邻压电陶瓷基元均匀间隔排列；每两个压电陶瓷基元之间通过高分子聚合物连接。

进一步的，所述呈球形分布的多个压电陶瓷基元至少包括由两个球冠状压电复合材料拼接而成。

进一步的，还包括至少两个双曲面状压电复合材料拼接而成。

进一步的，所述双曲面状压电复合材料和球冠状压电复合材料的型号均包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括pzt-41型，pzt-43型，pzt-5型，pzt-8型中任意一种或者多种型号复合。

进一步的，所述球形压电陶瓷复合材料结构中压电陶瓷基元的占比为30％～90％，球形的半径为10～100mm。

进一步的，所述压电陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm，每两个压电陶瓷基元之间的宽度为0.1mm～10mm。

进一步的，所述高分子聚合物包括环氧树脂或/和聚氨酯。

一种换能器件，包括顺序层叠连接的透声包覆层、匹配层、上述任一球形压电陶瓷复合材料结构、背衬层以及水密接插件；所述透声包覆层、匹配层、以及背衬层均为与所述压电陶瓷复合材料结构均为同心球形。所述水密接插件从球形内部的一侧向另一侧伸出。

本发明的有益效果：

本专利通过拼接球冠状和双曲面状压电复合材料制作球形压电复合材料，根据球形压电陶瓷复合材料结构和使用用途，可选用不同型号压电块体和不同的填充聚合物，制作出不同类型不同几何尺寸的球形压电陶瓷复合材料结构。根据后端换能器器件声学特性的不同要求，可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、压电陶瓷占比进行不同的设计，能够满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。基于本专利的成果，可研制出换能器件，具体可为高频全向换能器件，该器件应用于水下成像声纳以及探测声纳时，可减小声呐的探测死角、增加探测精度及探测范围。

附图说明

图1为本专利的一个优选实施例的换能器件；

图2为本专利的球形压电陶瓷复合材料结构的拼接示意图；

图3为本专利的一个优选实施例的换能器件；

图中，1、透声包覆层，2、匹配层，3、球形压电陶瓷复合材料结构，4、背衬层，5、水密接插件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本专利的一种球形压电陶瓷复合材料结构，如图1所示，所述球形压电陶瓷复合材料结构包括呈球形分布的多个压电陶瓷基元，每个压电陶瓷基元与其相邻压电陶瓷基元均匀间隔排列；每两个压电陶瓷基元之间通过高分子聚合物连接；其中图1中的正方形(或矩形)表示压电陶瓷基元，两个正方形之间的缝隙表示填充的高分子聚合物。

在一个优选实施例中，高分子聚合物的厚度与陶瓷基元的厚度一致。

在另一个实施例中，高分子聚合物的厚度略低于陶瓷基元的厚度，一般低于的厚度为0.01～0.05mm之间。

在一个实施例中，当球形尺寸较小时，例如，球形的半径为10mm时；球形压电陶瓷复合材料结构直接由两个球冠状压电复合材料拼接而成，即直接由两个半球状压电复合材料拼接而成。

在一个实施例中，当球形尺寸较大时，球形压电陶瓷复合材料结构由上下两个球冠状压电复合材料，和至少两个双曲面压电复合材料进行拼接，如图2所示，在该实施例中，采用上下两个球冠状压电复合材料以及周围的四个双曲面压电复合材料进行拼接。

在一个实施例中，所述高分子聚合物采用环氧树脂。

在另一个实施例中，所述高分子聚合物采用聚氨酯。

在另一个实施例中，所述高分子聚合物采用环氧树脂和聚氨酯的结合。

在一个实施例中，所述双曲面状压电复合材料和球冠状压电复合材料的型号均包括多种发射性、接收型或者收发兼容型压电材料，具体包括pzt-41型，pzt-43型，pzt-5型，pzt-8型中任意一种或者多种型号复合。

在一个优选实施例中，双曲面状压电复合材料和球冠状压电复合材料采用同一种型号进行复合，优选的，选择pzt-41型。

在一个实施例中，所述球形压电陶瓷复合材料结构中压电陶瓷基元的占比为30％～90％，球形的半径为10～100mm。

在一个优选实施例中，所述球形压电陶瓷复合材料结构中压电陶瓷基元的占比为80％。

在一个实施例中，所述压电陶瓷基元的长为1～5mm，宽为1～5mm，厚度为2～10mm，每两个压电陶瓷基元之间的宽度为0.1mm～10mm。

当然，在不超出本发明的范围和精神上，上述尺寸还可需要根据需求适当进行调整，使得能够满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。具体的，根据球形压电陶瓷复合材料结构不同的使用用途，本专利可选用不同型号压电块体和不同的填充聚合物，制作出不同类型的球形压电陶瓷复合材料结构。根据后端换能器器件声学特性的不同要求，可对压电陶瓷基元的横截面几何尺寸、聚合物宽度以及半径进行不同的设计，满足不同的带宽特性和发射电压响应特性等技术指标要求。

在一个实施例中，压电陶瓷复合材料结构是由一球冠状压电复合材料与双曲面状压电复合材料拼接制备而成。

球冠状和双曲面状压电复合材料采用切割填充法然后弯曲成型制作而成，其弯曲角度与该球形的半径对应；

在一种实施例中，切割六块pzt-41型的压电陶瓷复合材料块；其中两块作为球冠状压电复合材料，另外四块作为双曲面状压电复合材料；将每一块采用切割的方式将其切割穿透，形成多个大小均匀的压电陶瓷基元；穿透后，再采用高分子聚合物填充的方式，将各个压电陶瓷基元的缝隙连接起来；采用弯曲成形的方式，将各个连接处的高分子聚合物进行弯曲形变，从而使得压电陶瓷复合材料块形成一定的形状，例如双曲面状，球冠状等等。将两个球冠状的压电陶瓷复合材料块作为球形的上下球冠，将四块双曲面状的压电陶瓷复合材料块作为球形的四周，同样的，采用高分子聚合物，将这六块压电陶瓷复合材料块进行拼接。

以球形半径为50mm为例，本实施例中球冠对应的弧度为70～100°，双曲面状压电复合材料对应的弧度为100～150°。

该元件匹配换能器的其他结构即可制备三维高频全向换能器件。

在一个实施例中，如图3所示，提出了一种换能器件，包括顺序层叠连接的透声包覆层1、匹配层2、上述任一球形压电陶瓷复合材料结构3、背衬层4以及水密接插件5；所述透声包覆层1、匹配层2、以及背衬层4均为与所述压电陶瓷复合材料结构3均为同心球形；所述水密接插件5从球形内部的一侧向另一侧伸出；也即是贯穿球形压电陶瓷复合材料结构，并向透声包覆层1伸出；在球形压电陶瓷复合材料结构沿横向(或竖直)的中心轴开有水密接导线孔，将水密接插件5从一头引出；其中，球形压电陶瓷复合材料结构3可以由中心轴进行划分，作为两个独立的半球电极。

在一个优选实施例中，该透声包覆层1采用透声橡胶。

在一个实施例中，球形压电陶瓷复合材料结构3的内腔以及透声包覆层1的囊腔中可以灌注甲基硅油。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。