[发明专利]复合压电材料、自聚焦式复合压电薄膜、超声换能器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合压电材料、自聚焦式复合压电薄膜、超声换能器及其制备方法。该材料主要由有机压电相、无机压电相颗粒及掺杂相复合而成，所述的无机压电相颗粒为导电相@无机压电相异质结颗粒，所述掺杂相能与所述有机压电相中的极性原子形成氢键。该薄膜的制备方法包括：将上述的复合压电材料入半球型薄膜模具中，以成型为自聚焦式复合薄膜；将所述聚焦式压电薄膜进行梯度热处理，而后脱模，得到自聚焦式复合压电薄膜。该超声换能器包括上述的自聚焦式复合压电薄膜；第一电极层，分布在所述自聚焦式复合压电薄膜的内表面；及第二电极层，分布在所述自聚焦式复合压电薄膜的外表面。具有较高压电性能以及较高机电耦合系数。

技术领域

本申请涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种复合压电材料、自聚焦式复合压电薄膜、超声换能器及其制备方法。

背景技术

超声换能器是利用压电材料的压电效应制成的一类器件。主要应用于超声成像及光声成像中。目前制备超声换能器多为非自聚焦式。近年来实现超声换能器聚焦的方法主要有三种：阵列聚焦、在核心元件压电材料前方装备环氧树脂等制备的透镜结构以及通过热压等方式将压电材料压成透镜形状。阵列式换能器聚焦多采用MEMS工艺，工艺复杂且制备成本较为昂贵；装备透镜的方法需选择合适工艺及合适的匹配层以达到匹配压电活性层及透镜聚焦层的声阻抗匹配良好的目的；第三种采用热压的方式会是压电陶瓷、压电单晶结构碎裂，在一定程度上降低刚性压电材料的机电耦合系数以及压电常数，若被热压的材料为纯压电聚合物等有机压电材料则会发生聚合物被热压拉伸过程中薄膜厚度变化不均匀，从而导致制备的超声换能器短路的现象。近年来随着电子器件的发展，尤其是随着超声成像及光声成像中对超声换能器聚焦要求及其机电耦合性能的提高，制备出较高压电性能的自聚焦式超声换能器显得尤为重要。

研制出具有高压电系数、高机电耦合系数的复合压电材料是研制高性能的自聚焦式超声换能器的过程中至关重要的一步。目前研制出的复合压电材料大多数为聚合物材料和无机压电材料组成，在对该类复合材料施加电压进行极化时，在整个结构的极化过程中，由于无机压电材料粒子在聚合物基体内部的孤立分布和绝缘聚合物的高电阻，导致施加在聚合物内部的无机压电粒子上分布的局部电压有限。因此，这种直接将无机压电材料粒子分散于聚合物基体中时，会导致复合材料内部的无机压电粒子的自发极化重新定向程度都很低。即具有高压电系数的无机压电相极化不充分，并未充分表现出其自身优异的压电性能，导致柔性复合压电材料整体压电性能不理想。因而，解决复合压电材料中极化不充分的问题，对提高复合压电的压电性能的提高至关重要。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种复合压电材料、自聚焦式复合压电薄膜、超声换能器及其制备方法，以解决相关技术中存在的换能器的核心元件(压电材料)难以在保证原本结构完整、厚度均匀的条件下实现自聚焦，以及复合压电材料极化不充分的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种复合压电材料，该材料主要由有机压电相、无机压电相颗粒及掺杂相复合而成，所述的无机压电相颗粒为导电相@无机压电相异质结颗粒(@指代在导电相与普通无机压电相之间构建较强的化学异质结，优先地，所述异质结中导电相占比0.5-3wt％)，所述掺杂相能与所述有机压电相中的极性原子形成氢键。

优选地，通过原位光场还原法或电沉积法合成导电相@无机压电相异质结颗粒；所述导电相为上述合成异质结颗粒反应的生成物，其反应物中的一方可选自硝酸铜或硝酸银溶液两种中的一种或两种。

优选地，所述掺杂相选自氧化石墨烯、羟基化或羧基化的单壁或多壁碳纳米管。

需要说明的是，上述复合压电材料中的有机压电相、无机压电相颗粒及掺杂相的组分比例均可依据性能需要进行调节。这里给出优选地比例范围：所述有机压电相的质量百分比为40-60wt％，无机压电相颗粒的质量百分比为30-50wt％，掺杂相的质量百分比为1-20wt％。

优选地，所述的有机压电相可选自PVDF、P(VDF-TrFE)、PVDF-HDP中的一种或几种。