[发明专利]梯度压电复合材料及其制造方法、以及压电换能器

说明书

一种梯度压电复合材料，是具备多层梯度复合结构的梯度压电复合材料；梯度压电复合材料包括作为压电相的压电材料和作为有机相的填充物；压电材料在工作面上开设有向远离该工作面的方向延伸多组有底凹槽；多组有底凹槽的内部填充有填充物；多组有底凹槽的深度互不相同。该梯度压电复合材料的声阻抗低且能有效提高器件工作频率，能构成高灵敏度的压电换能器。

技术领域

本发明涉及压电复合材料及压电换能器技术领域，具体地，涉及一种梯度压电复合材料及其制造方法、以及压电换能器。

背景技术

压电材料因为其特有的正压电效应和负压电效应而被广泛应用于换能器中，成为压电换能器中的核心发声材料。压电材料的机电耦合性能表征该材料的机械性能和电学性能之间的相互影响效果，因此对基于该材料制作的换能器器件性能具有重要的影响作用。

根据压电材料的结构特点，一般地，材料的切型和外形尺寸对机电耦合系数具有重要影响。目前在换能器领域，最常使用的是具有厚度振动模式的压电材料和具有高度振动模式的压电复合材料。以kt表示压电材料厚度振动模式下的机电耦合系数，以k33’表示压电复合材料高度振动模式下的机电耦合系数。以PZT陶瓷材料为例，厚度振动模式下的机电耦合系数kt一般为60%左右，而以高度振动模式下的机电耦合系数k33’一般为80%左右。因此，在中高端器件应用中，为了得到更高的器件灵敏度和频域带宽，换能器中的核心发声材料一般会使用压电复合材料。

另一方面，压电类换能器的工作频率和发声压电材料的厚度相关，以一个压电材料的本征参数“频率常数”表示，满足公式N=ft，其中N表示压电材料的频率常数；f表示压电材料的工作频率；t表示压电材料的厚度。一般地，对于相同的压电材料，高度振动模式下的压电复合材料频率常数N33’是厚度振动模式下的压电材料的频率常数Nt的一半。因此，对于工作频率相同的压电材料，使用压电复合材料制作换能器时，相比于纯压电材料，其发声压电复合材料的厚度要比纯压电材料换能器中的发声材料小50%左右，且随着频率的提高，压电复合材料的厚度进一步减小，在器件制作过程中的难度进一步提高。针对压电复合材料换能器，需要一种在无需大幅减小压电材料厚度的情况下还能有效提高器件工作频率的复合材料结构。

此外，对于层叠结构的声学换能器，当发声压电材料通过逆压电效应将接收到的电学信号转化为机械振动时，需要通过器件前端面的透声材料将振动信号尽可能多的投射到外部介质中形成辐射声场，从而达到后续工况的应用。机械振动产生的声波能否大比例的进入器件前端的介质中，取决于压电材料与介质之间的透声材料声阻抗参数的设计。一般地，当两种介质界面的声阻抗越接近，声波经过介质界面时，投射率会远大于反射率。由于换能器一般用于生成辐射声场的介质为声阻抗较低的水（1.5MRayl）或者耦合剂（1.2MRayl），一般的压电材料声阻抗（30MRayl）和介质是严重失配的，需要一定的透声材料作为声学匹配过渡层，且透声材料的声波透过率有限。而相比于纯压电材料，压电复合材料具有更低的声阻抗，更有利于声学匹配过渡层的参数设计。

目前的很多研究都是从换能器的声学匹配过渡层的声学性能入手，通过梯度调节使声学界面上的透射率提高，反射率降低。对于压电发声材料的声阻抗梯度调控技术的研究和应用尚处于空白。

发明内容

发明要解决的问题：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种声阻抗低且能有效提高器件工作频率的梯度压电复合材料及其制造方法、以及压电换能器。

解决问题的技术手段：

为解决上述问题，本发明提供一种梯度压电复合材料，是具备多层梯度复合结构的梯度压电复合材料；所述梯度压电复合材料包括作为压电相的压电材料和作为有机相的填充物；所述压电材料在工作面上开设有向远离该工作面的方向延伸多组有底凹槽；所述多组有底凹槽的内部填充有所述填充物；所述多组有底凹槽的深度互不相同。

根据本发明，梯度压电复合材料包括压电层和具有深度不同的多个有机相的压电复合材料层，该梯度压电复合材料的声阻抗低，适用于高工作频率的压电换能器。