[发明专利]压电陶瓷体的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于器件例如换能器(transducer)和传感器的压电陶瓷复合材料的制造方法。更具体地，本发明涉及用于压电陶瓷-聚合物复合材料的压电陶瓷体的制造方法。

背景技术

压电复合材料已以日益增加的频率在用于超声成像、生物测定学和非破坏性试验(NDT)的声换能器中使用。典型地，在这样的换能器中的声活性元件由压电陶瓷材料制成。但是，对于大阵列声换能器的市场需求已受到制造压电复合材料中涉及的高成本限制。高成本主要起因于与制造用于换能器的陶瓷体关联的制造方法中的困难。

制造用于换能器的压电复合材料的最常用的制造方法是切块和填充(D&F)法。D&F法中，将切片锯(wafer saw)用于在烧结压电陶瓷体中切出矩形或菱形切槽的格网而不是一直切穿(即留下固体材料基底)。然后将切槽用聚合物填充；称为包封的方法。该方法生产出由聚合物填充物包围的陶瓷柱的矩阵。通过将陶瓷体的任何未开槽的截面磨掉、将暴露的陶瓷的表面电镀、机加工成形状和极化(poling)来继续进一步加工以制造换能器或传感器。

但是，D&F法具有几个限制。一个这样的限制是，取决于换能器的频率和相关的柱间距，D&F法花费约$100-$200/平方英寸。此外，由于压电烧结陶瓷体的硬度，耗费加工时间；只能够以约3mm/秒-5mm/秒的速度切块。此外，切块利用薄金刚石涂布刀片以将陶瓷体开槽(切割)。刀片价格高，具有短的使用寿命，并且难以更换。

因此，需要的是：用于可靠地制造压电陶瓷体的更高效率且更低成本的方法，该压电陶瓷体用来制造用于大阵列声换能器和传感器的压电复合材料。还需要改善收缩控制和减小翘曲的方法和/或体系。控制收缩允许更高效率地加工用于制造换能器和传感器的烧结陶瓷体。

发明内容

本发明提供改进的制造压电复合材料的方法。在一个实施方案中，本发明包括压电陶瓷体的制造方法，该方法包括：将陶瓷粉末、聚合物粘结剂和表面活性剂混合以形成具有以重量计的固体负载的料浆混合物；将所述料浆混合物浇注到模具中；在所述模具中使该料浆混合物固化以形成生坯；将所述生坯与所述模具分离；切割所述生坯以形成切割的生坯，该切割的生坯具有包含多个微米尺寸陶瓷元件和间隔的阵列；和烧结所述切割的生坯以形成致密化的烧结体。

根据本发明的另一方面，对该烧结陶瓷体进一步加工以通过将该烧结陶瓷体包封在聚合物材料中而形成压电陶瓷-聚合物复合材料。

在另一实施方案中，本发明包括压电复合材料的制造方法，该方法包括：将压电陶瓷粉末、有机粘结剂和表面活性剂混合以形成料浆，其中所述料浆具有至少90重量％的固体负载；将所述料浆浇注到模具中以形成生坯；将所述生坯与所述模具分离；切割所述生坯以形成切割的生坯，该切割的生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列；素烧(bisquing)所述切割生坯以将所述聚合物粘结剂烧掉；烧结所述切割的生坯以形成烧结陶瓷体；和将所述烧结陶瓷体包封在聚合物材料中以形成压电陶瓷-聚合物复合材料。

根据本发明的另一方面，对该压电复合材料进一步加工以形成器件，例如声换能器或传感器。

在替代性实施方案中，本发明包括网状压电复合材料的制造方法，该方法包括：将压电陶瓷粉末、有机粘结剂和表面活性剂和任选的分散剂混合以形成料浆混合物，其中所述料浆具有至少90重量％的固体负载；将该料浆注入模具中以形成网状生坯，该网状生坯具有微米尺寸的陶瓷元件和间隔的阵列；将所述生坯与所述模具分离；素烧所述生坯以将该粘结剂烧掉；烧结所述生坯以形成烧结陶瓷体；和将所述烧结陶瓷体包封在聚合物材料中以形成压电陶瓷-聚合物复合材料。

以下参照附图对本发明进一步的实施方案、特征和优点以及本发明的各种实施方案的结构和操作进行详细说明。

应理解以上概述和以下详述均只是例示性和解释性的，并且对要求保护的发明不具有限制性。

附图说明

引入本文中并且形成说明书的一部分的附图表示制造压电陶瓷体的浇注和切块法，和更具体地，用于换能器和传感器的压电陶瓷复合材料的制造方法。与说明书一起，附图进一步用于解释本文中所述的制造压电陶瓷体的浇注和切块法的原理，由此使本领域技术人员能够根据制造的浇注和切块法制造和使用压电陶瓷体。

图1表示了示出用于制造根据本发明的实施方案的烧结陶瓷体的例示步骤的流程图。

图2表示根据本发明的实施方案的料浆混合物的图。

图3A表示根据本发明实施方案的与模具分离的圆形生坯的图示。