[发明专利]基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法

说明书

本发明属于复合纳米薄膜及换能器领域，具体是一种基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法。解决了传统铅基超声换能器污染环境、输出频带较窄等技术问题。本发明将压电纳米无铅材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和石墨烯材料结合起来，制备出颗粒分布均一的柔性无铅压电薄膜超声换能器。本发明不仅具有PDMS的柔韧性，同时具有比传统单一无铅压电超声换能器频带宽的性能，在制备无铅复合薄膜超声换能器方面具有很好的应用前景。本发明所提出的无铅复合压电薄膜超声换能器制备过程简单，周期短，成本低廉，无污染，柔韧性好；并且掺杂石墨烯后超声换能器压电性能增强，输出频带宽。

技术领域

本发明属于复合纳米薄膜及换能器领域，具体是一种基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法。

背景技术

光声成像技术是近年发展起来的一种典型的非侵入、无辐射、高精度成像技术，其在关节炎和乳腺癌等疾病早期诊断领域具有广阔的应用前景。其中，超声换能器作为超声信号探测装置，是医学光声成像系统中的关键部件。因此，高频宽带超声换能器引起了国内外研究者的广泛关注。Manh课题组等人设计了一个柔性的PZT基超声换能器，其中心频率为5 MHz，性能稳定。Zhu课题组等人提出了一种PMN-PT基的内窥镜超声传感器阵列，其中心频率为5 MHz，-6dB带宽可达到88%。目前所研究的超声换能器的频率和带宽等性能都良好稳定。然而，这些超声换能器所采用的都是含铅材料，而铅是一种严重的神经毒素，一旦被人体吸入便不易排出，对身体的危害极大。尤其在医用超声换能器材料的选择上，应使用无铅压电材料。

近几年，环境友好型无铅高频宽带超声换能器引起了国内外研究者的广泛关注。专利号为CN 103240220 A的中国专利提出了一种基于AlN的无铅压电式超声换能器，换能器性能稳定，封装方便。Zhou等人设计了一种基于ZnO压电薄膜的自聚焦超声换能器，中心频率为200 MHz，带宽大约28%。然而，上述无铅压电薄膜超声换能器在性能方面都远远不及铅基换能器的性能。因此，设计一种基于无铅压电复合材料的高效率、宽频带超声换能器具有非常重要的研究意义和实用价值。

发明内容

本发明针对传统铅基超声换能器污染环境、输出频带较窄等问题，提出了一种基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的设计与实现方法。

本发明将压电纳米无铅材料，聚二甲基硅氧烷 （PDMS）和石墨烯材料结合起来，制备出颗粒分布均一的柔性无铅压电薄膜，进一步加工成超声换能器。具体制备步骤如下：

基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法，（1）将压电纳米无铅材料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）按质量比0.1~7:10混合，然后再加入石墨烯材料，所述聚二甲基硅氧烷（PDMS）与石墨烯材料的质量比为1~6:200；对上述混合物搅拌1-1.5小时，获得均匀分散的石墨烯纳米压电复合溶剂；（2）将硅片吸在甩胶机上，用滴管将所得纳米压电复合溶剂滴在硅片上，甩胶机转速设置500-2000 r/min，旋转30-40 s后将甩好薄膜的硅片取下放在培养皿中，再将培养皿放在真空干燥箱中，抽真空后取出培养皿，将硅片上的薄膜揭下来，获得均匀的石墨烯复合压电薄膜；（3）对石墨烯纳米复合压电薄膜施加2000-3000V的高压极化15-20个小时，使压电薄膜中颗粒的电畴沿电场方向整齐排列，得到具有最佳压电性能的石墨烯纳米复合换能器；（4）将纳米复合换能器两侧分别焊接上电极，并用PET进行封装，即可得到基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器。

本发明不仅具有PDMS的柔韧性，同时具有比传统单一无铅压电超声换能器频带宽的性能，在制备无铅复合薄膜超声换能器方面具有很好的应用前景。本发明所提出的无铅压电复合薄膜超声换能器制备过程简单，周期短，成本低廉，无污染，柔韧性好；并且掺杂石墨烯后超声换能器压电性能增强，输出频带宽（-6dB）。

附图说明

图1 是石墨烯掺杂的纳米复合薄膜超声换能器的制备过程。

图2 是超声换能器测试装置。