1-3型压电复合材料的制备与物性的研究

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1-3型球形压电陶瓷复合材料换能器设计

型球形压电陶瓷复合材料换能器设计［LI X L，TENG C，ZHOU Y.Design of 1-3 Spherical Piezoelectric Ceramic Composite Tranducer［DOI：10. 16311/j. audioe. 2020. 08. 020型球形压电陶瓷复合材料换能器设计李晓雷，滕超，周瑜中国电子科技集团公司第三研究所，北京型球形压电陶瓷复合材料换能器。

采用切割型球形压电陶瓷复合材料制作球形换能器，波束角可达44°，可实现高频宽波束发射。

Design of 1-3 Spherical Piezoelectric Ceramic Composite TranducerLI Xiaolei, TENG Chao, ZHOU Yu(The 3th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China)A 1-3 spherical piezoelectric ceramic composite transducer was designed by using finite element software. 1-3 spherical piezoelectric ceramic composites were prepared by cutting-pouring-forming method and their properties were tested. The spherical transducer is made of 1-3 spherical piezoelectric ceramic composite material and measured by the test system. The results show that the biggest transmitting voltage response of the transducer can reach 156 dB, and the -3 dB beam angle can reach 44wide beam transmission in the working frequency range.1-3 spherical piezoelectric ceramic composite; transducer; wide beam压电复合材料是将压电陶瓷相和聚合物相按一定的体积或重量比例和一定的空间几何分布复合而成的。

100kHz～500kHz压电复合材料标准水听器

100kHz～500kHz压电复合材料标准水听器何涛;徐卓华【摘要】本文介绍了一种我们制作的可应用于100kHz～500kHz频段的标准水听器,水听器敏感元件采用1-3型压电复合材料,通过对敏感元件及水听器结构进行合理设计,从工艺上保证水听器性能的稳定、可靠,制作完成的标准水听器满足高频标准的所有技术指标要求.测试结果表明,水听器的接收灵敏度大于-194dB,频段内灵敏度起伏为2.9dB,最高使用频率.3dB波束宽度大于20度;稳定性考核表明,水听器有良好的温度、时间稳定性,是一种比较理想的中高频标准水听器,适合于水声的校准和中高频声信号测试.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2010(029)004【总页数】4页(P302-305)【关键词】压电复合材料;标准水听器;高稳定性【作者】何涛;徐卓华【作者单位】杭州应用声学研究所,杭州,311400;杭州应用声学研究所,杭州,311400【正文语种】中文1 引言标准水听器是在水声校准中作为标准使用的水听器，它是水声声压量值传递的传递标准之一。

在国际和国家水听器标准中都对标准水听器的接收灵敏度、灵敏度响应、指向性等进行了严格的规定，特别是对水听器的时间、温度稳定性有很高的要求[1]。

在较低频率应用的标准水听器，基本都以压电陶瓷材料元件作为灵敏元件，元件的形态以球形和圆柱形为主。

在兆赫以上的高频段，一般使用PVDF压电薄膜作为敏感元件，接收灵敏度较低。

从国外一些研究资料来看[2]，100kHz～500kHz频段标准水听器制作较为困难。

采用球形和圆管形状，元件的尺寸很小，工艺实现困难。

而选用PVDF压电薄膜，由于灵敏度较低，在某些情况下无法满足使用需要。

压电复合材料是20世纪70年代发展起来的一种新型功能复合压电材料，具有强压电性、低脆性、低密度等优点[3,4]，经过多年的发展，其制作工艺已趋于成熟，为此频段标准水听器的研制提供了一种新的选择。

2 标准水听器的设计标准水听器的主要性能参数，如接收灵敏度、指向性、使用频率范围都是相互制约的，设计中需要权衡考虑。

1-3型高介电聚合物基复合材料的制备与性能

ｄｉｅｌｅｃｒｉｔｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＰＬＺＴｎａｎｏｉｆｂｅｒｓ，ｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇａｎｄｔｈｅｎｃｏａｔｅｄｂｙ
Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０５７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｃｅｒａｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｈｉｇｈｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔａｒｅａｄｄｅｄｉｎｔｏｐｏｌｙｍｅｒｍａｒｉｔｘｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ
ｇｏｏｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＰＬＺＴｓａｎｄＰＶＤＦｍａｔｉｒｘ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｉｓ１４ａｔ１００Ｈｚｆｏｒ８．６％（ｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ）
．
ｐｏｌｙｍｅｒ－ｂａｓｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＺＨＥＮＧＢｉｎ，ＳＯＮＧＹｕ，ＺＨＡＯＺｕｚｈｅｎ
（ＡｄｖａｎｃｅｄＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＭａｔｅｉｒａｌｓ＆ＤｅｖｉｃｅｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎＳｈｅｎｚｈｅｎ，

1-3型压电复合材料设计分析

ｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．Ｔｏｃｏｍｐｏｓｅｔｈｅ１－３ｍｏｄｅ
ｐｉｅｚｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＰＺＴ一５Ｈｆｏｒｐｉｅｚｏｃｅｒａｍｉｃｐｉｌｌａｒｓａｎｄｐｏｌｙｍｅｒｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｓａｍａｔｒｉｘ．ＶｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＰＺＴ一５Ｈｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍｏｄｉｆｙｉｎｇｔｈｅｓｉｚｅｏｆｐｉｌｌａｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｓｐａｃｉｎｇ．Ｔｈｏｕｇｈｈａｒｍｏｎｉｃ
ｐｈａｓｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｖａｌｉｄａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｍｏｄｅｌｓｈａｖｅａｇｏｏｄａｇｅｅｍｅｎｔ
ａｎａｌｙｓｉｓ（ＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ），ｔｈｅｈｉ【ｇｈｅｓｔｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｅｉｃｆｉｅｎｔｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｎ
塾皇塑鱼

压电水泥

表2 纯陶瓷与两种基体复合材料的机电耦合及声阻抗性能比较
纯陶瓷聚合物基水泥基
Kt /% 37.79 61.91 57.97
Qm 27.67 22.07 14.24
f / kHz 15.9 22.87 44.43
Z / M rayl 35.32 19.20 21.55
通过对比可以看出：相对于纯陶瓷，两种基体压电复合材料的厚度机电耦合系数kt和频带宽度f均有较大程度的增大，而机械品质因数Qm和声阻抗Z均减小。通过表1和表2的性能观察研究，我们发现聚合物基和水泥基都对压电材料有改善作用。
2.配合比对压电复合材料性能的影响
水泥的质量分数分别为5 %，15 %，30 %，45 %，50 %，60 %
配合比% 5 15 30 45 50 60
Kp /%
43.14 42.44 41.72 49 55.29 55.29
C/pF
132 129 128 127 122 121
fp / kHz
440.031 440.031 360.033 450.031 460.031 457.031
1-3型水泥聚合物压电复合材料的制备及应用
主要内容
研究背景与意义
1-3型水泥压电复合材料的概念与制备 1-3型水泥聚合物压电复合材料的提出研究展望
一、研究意义
目前，工程建筑实施在线健康检测和预报已引起人们广泛关注，但是传统的智能材料与混凝土存在着非常明显的相容性问题，如声阻抗匹配、界面粘结性等问题。制约了土木工程结构的智能化发展。新研究的1-3型水泥基压电复合材料虽然集中了各相的材料的优点，互补了单相材料的缺点，解决了材料声阻抗匹配、界面粘结性等问题，但是其与混凝土的相容性仍然存在着问题。因此，我们对1-3型水泥基压电复合材料进行了广泛的研究和改性.

1-3型压电复合材料温度稳定性研究

1-3型压电复合材料温度稳定性研究摘要：采用聚醚砜(PES)和空心玻璃微珠(HGB)作为填料对环氧树脂进行改性，研究其对环氧聚合相力学和热学性能的影响，研究发现，PES和HGB填充量均为10%(质量分数)制备的环氧聚合相，剪切强度由39 MPa升高到52 MPa，热膨胀系数由8.8×10-5/K降低为5.8×10-5/K，材料力学和热学性能明显提高。

以PZT-4为压电相，采用切割填充法制备PES和HGB填充量均为10%(质量分数)的1-3型压电复合材料，采用阻抗分析仪测定温度对其谐振频率fs和机电耦合系数kt的影响，结果表明，1-3型压电复合材料的fs为885 kHz，kt为0.65，材料的fs和kt在温度1550 ℃范围内变化率≤1%，表现出良好的温度稳定性。

关键词：聚醚砜；玻璃微珠；高强度聚焦超声；1-3型压电复合材料；温度稳定性0 引言当前，高强度聚焦超声技术已应用于良、恶性肿瘤无创治疗[1]。

聚焦超声外科治疗技术这一“改变游戏规则的技术”、“革命性的治疗技术”正在推动临床外科进入无创时代[2-4]。

换能器作为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的核心部件起着非常重要的作用。

传统的换能器用压电陶瓷材料制作，存在换能器带宽不够，电声转换效率低的问题，需要对换能器材料更新换代。

1-3型压电复合材料是公认的新型压电材料，因其具有较低的声阻抗、较高的耦合系数、较低的机械品质因数等特性成为水听器，医学成像，无损检测等方面换能器的重要材料[5]。

但该材料在高强度聚焦超声换能器方面的应用报道还不多，主要原因是高强度聚焦超声换能器需要大功率的发射材料，与接受型的1-3型压电复合材料相比，更需解决材料的热稳定性问题。

1-3型压电复合材料是一维的陶瓷相与三维的环氧聚合相的复合，具体结构如图1所示。

压电相保持材料的压电效应，环氧相改善材料的振动模态，两相复合后，材料在机电耦合系数kt，机械品质因数Qm和阻抗Z均有很好的改善，因此，大功率的1-3压电复合材料是新一代高强度聚焦超声换能器的关键核心材料。

1_3型压电复合材料的制备及性能研究

第28卷　第6期2006年6月武　汉　理　工　大　学　学　报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Vol.28　No.6　J un.2006123型压电复合材料的制备及性能研究徐玲芳,陈　文,周　静,李　君(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070)摘　要:　采用塑性聚合物方法制备了掺Nb 的PZT (PZT 25A )陶瓷纤维,且通过排列陶瓷纤维,灌注环氧树脂的方法制备了123型压电复合材料。

研究了陶瓷纤维的结构,分析了123型压电复合材料密度和剩余极化随纤维体积分数V c 的变化关系。

XRD 表明PZT 25A 陶瓷纤维为纯钙钛矿结构,SEM 显示纤维结构致密,直径为250μm 。

123型压电复合材料的密度和剩余极化随纤维体积分数V c 的变化呈近似线性关系。

V c 为85%时123压电复合材料的ε3、tan δ、k p 、k t 及Q m 分别为638、1.74%、0.31、0.61及3.27,与PZT 25A 陶瓷相比较,123型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因素明显降低。

关键词:　123压电复合材料;　环氧树脂;　压电性能;　铁电性能中图分类号:　TB 332文献标志码:　A 文章编号:167124431(2006)0620001203Preparation and Properties of Fine Scale 123PiezoelectricCeramic/Polymer CompositesX U L i ng 2f ang ,CH EN Wen ,ZHO U Ji ng ,L I J un(School of Materials Science and Technology ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China )Abstract :　This paper reported the fabrication and properties of fine scale 123composites consisting of unidirectional ordered PZT 25A piezoelectric ceramic fibers with diameter of 250μm in a polymer matrix of epoxy resin E 244.SEM micrograph showed fine microstructures.And regular arrangement of fibers was observed.The composites with high ceramic volume fraction showed excellent ferroelectrics characteristics.As ceramic volume fraction was 85%,a high coupling coefficient (k t )of up to 0.61,a low mechanical quality factor (Q m )of 3.27and relative permittivity (ε3)of 638were detected.K ey w ords :　piezoelectric composites ;　epoxy resin ;　piezoelectricity ;　ferroelectricity收稿日期:2006202228.基金项目:国家自然科学基金(50402014).作者简介:徐玲芳(19772),女,博士.E 2mail :lindahbaa @123型压电复合材料具有优良的压电各向异性、高的机电耦合系数、大的压电常数且具有易与人体或水等轻负载及背衬匹配的声阻抗等特点,适合于医疗超声和无损检测换能器的要求[1]。

能量收集用1-3型压电复合材料

济性和在室温下操作的能力外，它还可以旋转超细和纳米级有机/无机纤维和通过在衬底上直接制造压
电NF来简化测量过程
①
②
基本原理：
由于电场的作用，聚合物溶液表面会产生电荷。
进一步增加电场强度，是用来克服表面张力的静
电排斥力到达一个临界值，此时带电射流从
DC
Taylor锥尖喷射出来。带电后的聚合物射流经过
变下的的峰矮而宽；
➢ 在不同应力下感应的电荷总量是一样的，这是由于在应变过程中几乎没有压电电荷损失。
没有探究PZT厚度及面积对感应电荷的影响。
THANKS FOR WATCHING
➢ 用于能量收集的复合材料应该优选地包括具有低介电常数的聚合物基质中的低体积分数的取向的压电纤维。
静电纺织法
压电纳米材料，尤其是柔性纳米纤维（NF）和纳米线（NW），由于其独特的特性（如轻质，柔韧性和高机械强度），有利于开发小型化设备，如有机-无机复合柔性压电材料，因此受到广泛关注。
在各种NFs合成技术中，静电纺丝被认为是最有效的方法之一，因为它具有以下优点：除了通用性，经
1-3 composites for flexible piezoelectric generators
2019.6.20
压电复合物的d×g取决于许多参数，例如基质和填料的介电常数，体压电电荷系数，极化效率，颗粒和纤维的纵横比，以及颗粒间距离。
➢ 对于随机复合材料， d33×g33的值很小，并且随填料体积分数单调缓慢增加。
随机样品中的取向因子（S）远低于垂直样品中测量的值，但随机样品的电输出超过了从垂直样品获得的电输出，因为沿弯曲方向取向的样品中的变形PZT纤维的数量超过垂直样品的值。
在不同应变下的样品的电流及感应电荷: ➢ 电流分别为0.86 和 0.29 μA； ➢ 高应变下的电流跟感应电荷峰高而尖，低应

1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究的开题报告

1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究的开题报告一、选题背景及意义压电复合材料是一种具有压电性质和复合材料结构的功能材料。

在目前的科学研究和工业应用中，压电复合材料具有广泛的应用前景。

以压电驱动器、压电传感器及电声换能器等为代表的研究方向已引起了广泛研究兴趣。

目前有关压电复合材料的研究主要集中在压电陶瓷、聚合物和聚合物复合材料等方面。

然而，由于压电陶瓷存在易脆、重量大等问题，聚合物利用温度和湿度的变化易造成形变和损伤。

因此，采用压电陶瓷和聚合物合成的复合材料，结合优点，克服缺点，可以用于开发更具实用性和良好性能的压电复合材料。

本课题选用1-3型系列压电复合材料制备工艺及性能研究，以期设计出在结构安装、材料工艺等方面综合优化、可靠性更高、制备成本更低、特种功能更强的新形态压电复合材料，以满足工业应用需求。

二、研究内容和主要任务1. 以PZT陶瓷为压电相，选用树脂型复合材料为基质相，研究1-3型系列压电复合材料的制备工艺。

包括制备材料的搅拌工艺、压力、温度等制备参数的控制等。

2. 对1-3型系列压电复合材料的性能进行研究。

包括研究材料的压电性能、介电性能、热学性质、机械性能等。

3. 对制备出来的1-3型系列压电复合材料进行应用研究。

探究制备的复合材料在压电传感器、压电驱动器、电声换能器等方面的应用。

三、研究方法1. 采用化学溶胶-凝胶法，制备高纯度PZT粉体。

2. 设计出合理的复合材料配方，选用自主研发的树脂型复合材料为基质相，制备出1-3型系列压电复合材料。

3. 采用压电性能测试仪、介电性能测试仪、热重分析仪、拉伸试验机等设备，测试1-3型系列压电复合材料的性能。

4. 借助有限元模拟，探究1-3型系列压电复合材料的力学行为及其在应用研究中的效果。

四、预期结果及意义本课题将制备出1-3型系列压电复合材料，并对其压电性能、热学性能、机械性能等方面进行研究。

同时，在复合材料的应用研究中，将对压电传感器、压电驱动器、电声换能器等方面的应用进行研究。

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1-3型压电复合材料的制备与物性的研究压电复合材料是指由压电陶瓷材料和有机聚合物材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。

由于压电复合材料同时具备聚合物相和压电相的优点而被广泛的研究,其在医学超声探头和水声换能器中都有着重要的应用。

1-3型压电复合材料的连通方式为一维连通的压电陶瓷平行的镶嵌在三维连通的聚合物基体中,其声阻抗远小于压电陶瓷材料。

因而,用复合材料制作的换能器更容易与水和人体组织匹配。

制备1-3型压电复合材料的方法有切割-填充法、脱模法等,其中切割-填充法操作简单、成本低,并且可以根据需要控制复合材料中陶瓷柱的宽度与间隔,因此被广泛的用于复合材料的制备。

本论文利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比不同的1-3型PZT-Epoxy压电复合材料和陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,并对其超声物性展开了研究。

主要结果如下:(1)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料的压电常数、声阻抗等物性的影响,并探讨了材料的纵横比对复合材料的厚度机电耦合系数kt的影响。

实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料。

研究发现复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为
10.2Mrayl、317pC/N。

与PZT43陶瓷材料相比,复合材料的厚度机电耦合系数kt 提高、介电常数εr降低,但是介电损耗tanδ增加、机械品质因子Qm比PZT43陶瓷降低了 2个数量级。

在-50℃-150℃的测试区间内,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系
数kt都具有较好的温度稳定性,并且kt随着复合材料样品的厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,在纵横比约为3时kt取得最大值。

陶瓷相的体积比为31%的1-3型PZT43-Epoxy压电复合材料在厚度为1.4mm时的物性分别为:d3= 273
pC/N,Z=11 Mrayl,kt=0.66,Q =4.1 εr= 410,ta =0.03。

(2)研究了陶瓷相的体积比对1-3型PZT5H-Epoxy压电复合材料的物性的影响,考察了kt随纵横比的变化。

实验制备了陶瓷相的体积比分别为25%、31%和40%的压电复合材料,分析实验结果得出以下结论:复合材料的厚度机电耦合系数kt随陶瓷相的体积比的增加而减小,陶瓷相的体积比为25%的复合材料的kt比PZT5H陶瓷的kt提升了40%。

复合材料的声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大,实验制备的复合材料的声阻抗的最小值和压电常数的最大值分别为9.8Mrayl、460pC/N。

1-3型PZT5H-Epoxy压电复合材料的厚度机电耦合系数kt随样品厚度的增加呈现先增加后减少的趋势,当陶瓷相的休积比为25%、31%和40%时,复合材料样品的厚度分别在1.2mm、1.4mm和1.6mm处对应的厚度机电耦合系数kt最大。

实验制备的陶瓷相的体积比为25%的1-3型PZT5H-Epoxy压电复合材料在厚度为1.2mm时的物性分别为:d33= 372 pC/N,Z=9.8Mrayl,kt=0.70,Q=5.8,ε
r=650,tanδ=0.04。

(3)利用预球磨处理过的BaC03微粉制备了BCZT陶瓷,研究了其介电与压电物性。

利用切割-填充法制备了陶瓷相的体积比为31%的1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料,探讨了其各种物性。

以预球磨处理的BaC03微粉为原料制备的BCZT陶瓷的平面机电耦合系数kp、厚度机电耦合系数kt与机械品质因子Qm分别为0.48、0.36和180。

1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料的厚度机电耦合系数kt和机械品质因子Qm 分别为0.51和3.9,kt 比BCZT陶瓷的kt提高较明显,而Qm降低了约2个数量级。

1-3型BCZT-Epoxy压电复合材料的kt随着厚度的增加先增大后减小,在厚度为1.6mm时取得最大值为0.51。