一種針狀水聲換能器中的新型壓電復合薄膜的制備方法技術

一種針狀水聲換能器中的新型壓電復合薄膜的制備方法，步驟如下：(一)壓電復合薄膜的制備:制備原材料復合漿料；磁力攪拌；真空脫泡；將原始漿料放入脫泡機中，將脫泡機抽至真空狀態，脫泡30min；流延成膜；將脫泡后的混合漿料加入流延機的料槽中，調節流延板的平整性，將刮刀的高度設置為300μm，流延速度為0.2mm/s，將底板的溫度設置為100℃，并開啟排風扇，進行流延；保溫干燥；將成型后的薄膜恒溫在100℃下干燥1小時后制得新型壓電復合薄膜；(二)壓電復合薄膜的油浴極化；本發明專利技術所述的壓電復合薄膜的制備方法，工藝性好，易于實現；制出的壓電復合薄膜與一般的復合薄膜相比具有良好的柔韌性和更好的壓電性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種針狀水聲換能器中的新型壓電復合薄膜的制備方法,屬于聲波監測壓電復合薄膜

技術介紹
水聲技術是水下通訊導航、水產漁業、海洋資源等領域的重要手段。水聲換能器是聲納系統中實現能量轉換的器件。其功能是激發及接收水環境中的聲波信號，實現聲能和電能之間的相互轉化，換能器的材料是關系到魚雷制導、聲納性能的重要影響因素。目前水聲
中應用最廣泛的是壓電陶瓷式換能器。當換能器工作于發射狀態時，壓電陶瓷部件在電場的作用下，借助逆壓電效應，進行伸縮振動，向媒質發射聲波。當換能器工作于接收狀態時，壓電陶瓷部件在聲發射信號的作用下發生伸張或收縮，借助正壓電效應，轉換為電信號。傳統水聲換能器采用PZT壓電陶瓷為核心敏感元件，PZT陶瓷雖因具有較強的壓電性能而得到廣泛應用，但其性能不能充分滿足水聲換能器的要求。首先，PZT壓電陶瓷質脆，不利于加工成所要求的形狀、尺寸和精度，且在技工過程中易損壞，也限制了水聲換能器的微型化、智能化；其次，PZT壓電陶瓷不具有柔韌性，與水的匹配性能不理想。由于壓電復合材料與壓電陶瓷相比有較高的靜水壓電系數，比較適合用做水聲換能器,它的特性阻抗小，容易與水匹配，頻帶寬，其性能還可以通過添加第三相粒子來調節，因此，壓電復合材料換能器在靈敏度、帶寬、阻抗匹配和降低陣元內部交叉耦合等方面都要優于純陶瓷換能器。目前，對壓電復合材料的理論研究已經有了一些成果，但還需要進一步完善，它的應用還具有較大的開發潛力。因此，本專利技術在壓電復合材料的制備技術，結構和性能的改進，基礎理論及開發應用進行研究，并開發出了一種基于新型壓電復合薄膜的針狀水聲換能器。
技術實現思路
本專利技術為了解決現有水聲換能器在橫向諧振、帶寬、靈敏度等方面的不足之處，通過添加第三相導電粒子石墨烯，研制了一種新型壓電復合材料，在保持良好的柔韌性的同時，也具有良好的與水匹配性和壓電性能。用其代替PZT壓電陶瓷作為水聲換能器的核心敏感元件，開發了一種新的針狀水聲換能器，具有更強的適用性和較高的靈敏度，同時結構簡單，制備方便。所述新型壓電復合薄膜采用石墨烯作為第三相添加到陶瓷/聚合物(PZT/PVDF)/NMP(N-甲基吡咯烷酮)混合溶液中，使用流延法制備得到薄膜，并通過離子濺射對薄膜兩面進行噴金處理，最后進行高壓油浴極化。其中，石墨烯含量為0.6％，PZT與PVDF的體積比為70％。本專利技術所述的一種基于新型壓電復合薄膜的針狀水聲換能器，主要包括針狀敏感頭部1、連接線2和后部插頭3，如圖2所示。所述的針狀敏感頭部1包括新型壓電復合薄膜4、保護外殼5、銅芯6、導線7和導線8；它們相互之間的關系是：新型壓電復合薄膜4位于針狀敏感頭部1的頂端，新型壓電復合薄膜4的上表面接有保護外殼5，下連導線7；下表面接有銅芯6，下連另一導線8。當壓電復合薄膜4受到壓力作用發生變形時，其上下兩表面產生正負相反的電荷，上表面電荷經保護外殼5由導線7輸出，下表面電荷經銅芯6由導線8輸出。連接線2將針狀敏感頭部1的兩根導線引出，與后部插頭3相連。該新型水聲換能器的靈敏度標定：以石墨烯/PZT/PVDF(石墨烯添加量為0.6％vol)復合薄膜為核心敏感元件制備了針狀水聲換能器，對其靈敏度進行了標定。實驗結果表明，在1MHz激發頻率條件下，石墨烯/PZT/PVDF水聲換能器的靈敏度最高，為0.074uV/Pa。本專利技術一種針狀水聲換能器中的新型壓電復合薄膜的制備方法，見圖1所示，其步驟如下：步驟1.壓電復合薄膜的制備本專利技術選用流延法制備壓電復合薄膜，相比較于其他的制備方法，流延法不僅工藝簡便，更能保證壓電復合薄膜的柔韌性，且能夠制備大面積的薄膜，有利于工業化生產。薄膜制備材料選用鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷顆粒為功能相，高分子聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)為基體，其中PZT顆粒粒徑為3μm左右，PVDF顆粒粒徑為5μm左右。具體包括步驟1.1～1.5。步驟1.1制備原材料復合漿料。按比例分別稱取一定量的石墨烯、PVDF粉末、PZT粉末。考慮到三種粉末之間的密度差，先將石墨粉末溶于N-甲基吡咯烷酮即NMP溶液中并磁力攪拌10min，隨后加入PVDF粉末并磁力攪拌30min、最后加入PZT粉末。添加石墨烯的含量為0.8％，在混粉過程中，保持PZT陶瓷的體積百分比為70％。步驟1.2磁力攪拌。將上述復合材料體系放置于磁力攪拌裝置上，在60℃條件下攪拌2h，使各組分充分混合，得到石墨稀、PZT陶瓷顆粒和PVDF的三相均勻體系。步驟1.3真空脫泡。將混合均勻的原始漿料放入脫泡機中，將脫泡機抽至真空狀態，脫泡30min。步驟1.4流延成膜。將脫泡后的混合漿料加入流延機的料槽中，調節流延板的平整性，將刮刀的高度設置為300μm，流延速度為0.2mm/s，將底板的溫度設置為100℃，并開啟排風扇，進行流延。步驟1.5保溫干燥。將成型后的薄膜恒溫在100℃下干燥1h后制得新型壓電復合薄膜。成型后的薄膜尺寸為1000mm*300mm*100μm。步驟2.壓電復合薄膜的油浴極化上述制備的壓電薄膜不具備壓電特性，只有在極化處理后才能用作壓電傳感器。極化示意圖如圖2所示。為了實現壓電復合薄膜的極化須在其上下表面制備電極，而采用涂敷導電銀漿的方式會對薄膜本身產生腐蝕，采用離子濺射的方法，不僅可以實現在大面積薄膜上分區域制備獨立電極，而且電極與薄膜表面接觸穩固，可以有效的將極化電場施加到薄膜上。具體極化流程如圖2所示，包括步驟2.1～步驟2.5。步驟2.1將新型復合薄膜放置于高壓電源的正負極之間，并將復合薄膜整體浸入到硅油中，再將油浴杯放入加熱裝置中。步驟2.2打開加熱裝置，并將加熱溫度設定為110℃，開始加熱后，打開高壓電源，按照7KV/mm對復合薄膜進行高壓極化。步驟2.3當極化溫度升至110℃時，開始極化計時，保持7KV/mm，110℃，極化30min。步驟2.430min高壓熱極化后，保壓，關閉加熱裝置，使復合薄膜自然冷卻。步驟2.5當復合薄膜冷卻至50℃左右，關閉高壓電源停止極化，取出復合薄膜并將其表面的硅油擦拭干凈，將其在室溫下放置24h。專利技術的優點在于：本專利技術所述的壓電復合薄膜的制備方法，工藝性好，易于實現；制出的壓電復合薄膜與一般的復合薄膜相比具有良好的柔韌性和更好的壓電性能。采用該壓電復合薄膜代替PZT壓電陶瓷，作為水聲換能器的核心敏感元件，良好的柔韌性使其具有與水良好的匹配性，與傳統的水聲換能器相比，極大提高了實用性。以新型壓電復合薄膜為敏感元件代替傳統的PZT陶瓷片，開發制備水聲換能器，對水聲換能器的靈敏度進行了標定，實驗結果表明，在1MHz激發頻率條件下，石墨烯/PZT/PVDF水聲換能器的靈敏度最高，為0.074uV/Pa。這種針狀水聲換能器具有尺寸小、結構簡單、與水匹配性良好、易于制備的優點。附圖說明圖1是本專利技術新型壓電復合薄膜的制備方法流程圖。圖2是本專利技術所述的基于新型壓電復合薄膜的水聲換能器裝置結構示意圖。圖中序號、符號、代號說明如下：1-針狀敏感頭部；2-連接線；3-后部插頭；4-新型壓電復合薄膜；5-保護外殼；6-銅芯；7-導線；8-導線。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進行詳細說明。步驟1.壓電復合薄膜的制備本專利技術選用流本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種針狀水聲換能器中的新型壓電復合薄膜的制備方法，其特征在于：其步驟如下：步驟1.壓電復合薄膜的制備選用流延法制備壓電復合薄膜，薄膜制備材料選用鋯鈦酸鉛即PZT陶瓷顆粒為功能相，高分子聚合物聚偏氟乙烯即PVDF為基體，其中PZT顆粒粒徑為3μm左右，PVDF顆粒粒徑為5μm左右；具體包括下列步驟1.1～1.5；步驟1.1制備原材料復合漿料；按比例分別稱取預定量的石墨烯、PVDF粉末、PZT粉末；考慮到三種粉末之間的密度差，先將石墨粉末溶于N?甲基吡咯烷酮即NMP溶液中并磁力攪拌10min，隨后加入PVDF粉末并磁力攪拌30min、最后加入PZT粉末；添加石墨烯的含量為0.8％，在混粉過程中，保持PZT陶瓷的體積百分比為70％；步驟1.2磁力攪拌；將上述復合材料體系放置于磁力攪拌裝置上，在60℃條件下攪拌2小時，使各組分充分混合，得到石墨稀、PZT陶瓷顆粒和PVDF的三相均勻體系；步驟1.3真空脫泡；將混合均勻的原始漿料放入脫泡機中，將脫泡機抽至真空狀態，脫泡30min；步驟1.4流延成膜；將脫泡后的混合漿料加入流延機的料槽中，調節流延板的平整性，將刮刀的高度設置為300μm，流延速度為0.2mm/s，將底板的溫度設置為100℃，并開啟排風扇，進行流延；步驟1.5保溫干燥；將成型后的薄膜恒溫在100℃下干燥1小時后制得新型壓電復合薄膜；步驟2.壓電復合薄膜的油浴極化上述制備的壓電薄膜不具備壓電特性，只有在極化處理后才能用作壓電傳感器；為了實現壓電復合薄膜的極化須在其上下表面制備電極，采用離子濺射的方法，不僅能實現在大面積薄膜上分區域制備獨立電極，而且電極與薄膜表面接觸穩固，能有效的將極化電場施加到薄膜上；步驟2.1將新型復合薄膜放置于高壓電源的正負極之間，并將復合薄膜整體浸入到硅油中，再將油浴杯放入加熱裝置中；步驟2.2打開加熱裝置，并將加熱溫度設定為110℃，開始加熱后，打開高壓電源，按照7KV/mm對復合薄膜進行高壓極化；步驟2.3當極化溫度升至110℃時，開始極化計時，保持7KV/mm，110℃，極化30min；步驟2.4?30min高壓熱極化后，保壓，關閉加熱裝置，使復合薄膜自然冷卻；步驟2.5當復合薄膜冷卻至50℃左右，關閉高壓電源停止極化，取出復合薄膜并將其表面的硅油擦拭干凈，將其在室溫下放置24小時。...

【技術特征摘要】
1.一種針狀水聲換能器中的新型壓電復合薄膜的制備方法，其特征在于：其步驟如下：步驟1.壓電復合薄膜的制備選用流延法制備壓電復合薄膜，薄膜制備材料選用鋯鈦酸鉛即PZT陶瓷顆粒為功能相，高分子聚合物聚偏氟乙烯即PVDF為基體，其中PZT顆粒粒徑為3μm左右，PVDF顆粒粒徑為5μm左右；具體包括下列步驟1.1～1.5；步驟1.1制備原材料復合漿料；按比例分別稱取預定量的石墨烯、PVDF粉末、PZT粉末；考慮到三種粉末之間的密度差，先將石墨粉末溶于N-甲基吡咯烷酮即NMP溶液中并磁力攪拌10min，隨后加入PVDF粉末并磁力攪拌30min、最后加入PZT粉末；添加石墨烯的含量為0.8％，在混粉過程中，保持PZT陶瓷的體積百分比為70％；步驟1.2磁力攪拌；將上述復合材料體系放置于磁力攪拌裝置上，在60℃條件下攪拌2小時，使各組分充分混合，得到石墨稀、PZT陶瓷顆粒和PVDF的三相均勻體系；步驟1.3真空脫泡；將混合均勻的原始漿料放入脫泡機中，將脫泡機抽至真空狀態，脫泡30min；步驟1.4流延成膜；將脫泡后的混合漿料加入流延機的料槽中，調節流延板的平整性，將刮刀的高度設置為300μm，流延速度為0.2mm/s，將底板的溫度設置為100℃，并...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何晶靖，劉曉鵬，方小亮，張衛方，婁偉濤，董邦林，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11