[发明专利]压电陶瓷－压电性聚合物复合材料及其制造方法

说明书

本发明涉及一种用于超声换能器和水声换能器的压电性的陶瓷-聚合物复合材料、特别是具有增强的压电性能的压电陶瓷-压电性聚合物复合材料，本发明还涉及这种压电性复合材料的制造方法。

压电陶瓷微粉与聚合物的复合材料由于其在热释电传感器、超声换能器和水声换能器方面潜在的应用前景而越来越引起人们的极大兴趣。其构成如图1所示，在图中黑点代表压电陶瓷颗粒，其余为聚合物。早期人们主要是研究压电陶瓷微粉与非压电性聚合物(例如，环氧树脂)的复合材料。后来人们开始研究将压电陶瓷微粉分散于压电性聚合物，例如，偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物[P(VDF-TrFE)]中。当三氟乙烯的含量超过20mol％时，P(VDF-TrFE)共聚物可从其溶解的溶液中结晶而形成β相，并且能够在无须拉伸的条件下被极化。其极化装置如图2所示。在图2中1为硅油，2为极化试样，3为试样夹具，4为加热台，5为热电偶，6为温度控制器，7为电流计，8为高压电源。当这种共聚物被用作压电陶瓷-压电性聚合物复合材料的基料时，有可能通过陶瓷和聚合物两相的复合而产生协同效应。但是，在现有的此类型复合材料，即，在本技术领域中所谓的“0-3型压电复合材料“(在下文为了符合本技术领域的惯称将“压电陶瓷-压电性聚合物复合材料”与“0-3型压电复合材料”二词混用)中压电陶瓷与压电性聚合物二者是沿同一方向被极化的，从而使陶瓷的压电性与聚合物的压电性部分地相抵消，由此降低了此类型复合材料的压电性。

本发明的目的是提供一种具有增强的压电性的压电陶瓷-压电性聚合物复合材料，与现有技术的压电陶瓷-压电性聚合物复合材料相比它具有高得多的压电性，因此，它不仅适用于超声换能器和水声换能器中而且还适用于医用的超声探测器中。

本发明的另一个目的是提供一种制造具有增强的压电性的压电陶瓷-压电性聚合物复合材料的方法。

由于在现有技术的压电陶瓷-压电性聚合物复合体系中，压电陶瓷的压电性与压电性聚合物的压电性其极化方向相反，因此两相材料的压电性部分地相抵销，从而导致复合材料的压电性能的降低。为了增强压电陶瓷-压电性聚合物复合材料的压电性能，使陶瓷和聚合物二者充分极化是十分重要的。本发明人等经过深入的研究后发现一种制造具有增强的压电性的压电陶瓷-压电性聚合物复合材料的方法。该方法的特征在于采用在不同的温度下多段极化压电陶瓷-压电性聚合物复合材料取代现有技术的一段极化压电陶瓷-压电性聚合物复合材料，而将沿同一方向极化0-3型压电复合材料中压电陶瓷与压电性聚合物改变为在高于聚合物的居理温度下极化0-3型压电复合材料中的压电陶瓷，然后在低于聚合物的居理温度下极化0-3型压电复合材料中的压电性聚合物使它以与陶瓷相的反相极化，从而实现两相复合后的压电性能的增强。

本发明人等是通过以下技术方案来实现增强压电陶瓷-压电性聚合物复合材料的压电性的。在高于聚合物的Tc(即，居理温度)的温度下对复合材料施加电埸使其中的压电陶瓷极化而不使其中的压电性聚合物极化。为了使复合材料中的聚合物的压电性在极化后得到增强，还必须在低于聚合物的Tc下施加电埸，我们发现，此时如果施加反向电埸可以使聚合物极化而对复合材料中的陶瓷相的压电性能没有影响，从而达到只极化聚合物而不极化陶瓷的目的。用此方法单独极化聚合物也会使聚合物显示较好的压电特性。结果表明：通过控制交变电埸的频率和位相可以使所说的复合材料由于其中的聚合物的压电性与陶瓷的压电性相叠加之故而得到增强。由于采用上述方案，即，采用不同温度的分步极化法并以不同方向极化的方式可以克服现有技术在同一方向施加电埸来极化压电陶瓷-压电性共聚物复合材料时所出现的压电性降低的趋向，从而获得具有增强的压电性能的压电陶瓷-压电性聚合物复合材料。

本发明的制造具有增强的压电性能的陶瓷-聚合物压电复合材料的方法包括以下步骤：

一、制备压电陶瓷-压电性聚合物复合材料坯料