单晶PMNT/环氧树脂压电复合材料的研制

　　1997年美国宾州大学在实验室成功地研制出了新型的弛豫铁电单晶Pb(Zn1/3Nb2/3)O3和Pb-TiO3(PZNT,固溶体)和0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3(PMNT,固溶体)[1],其压电系数d33、机电耦合系数k33分别为1 800 pC/N和92%以上,应变量比PZT压电陶瓷高出10倍以上,达1.7%[2]。美国著名的《科学》杂志在介绍压电单晶时认为:它是材料科学领域的一项重大突破。在国内,中科院上海硅酸盐研究所近期也成功地生长出PZNT ( 30 mm×30 mm)和PMNT( 50 mm×60 mm)单晶,其性能达到了国外研制的水平[3]。虽然弛豫铁电单晶较压电陶瓷具有优越的压电性能,但弛豫铁电单晶硬而脆,声阻抗高,不易与空气、水和人体组织匹配,且它的温度稳定范围小,造成该材料目前尚未大量应用。本文将柔性聚合物加入铁电单晶,制备单晶/环氧树脂复合材料,以改善单晶的性能,降低其声阻抗和密度。

　　1　复合材料的结构

　　本文研制的PMNT/环氧树脂压电复合材料为1-3型结构,即一维自连的压电相材料埋置在三维自连的聚合物基体中(见图1)[4],在厚度极化方向,坚硬的压电体承受了大部分外加应力,并与聚合物相并联连接。理想情况下,复合材料的d33近似等于压电相的d33。在垂直于极化方向,压电相与聚合物相串联连接,导致压电复合材料的d31减小,而聚合物的加入又降低了复合材料的介电常数εr,因此,压电复合材料的静水压压电应变常数dh和压电电压常数gh得以提高。1-3型结构复合材料具有声阻抗小,易与水、人体组织等传播介质匹配;机电耦合系数kt高,能实现不同形式能量间的转换;柔软,由于作为填充物的非压电材料由柔性高分子材料构成,易做成各种形状,尤其用作B超的凸阵探头时,加工方便;脉冲回波信号带宽宽,适合制作宽带换能器;dh·gh值高,非常适合制作水声换能器。

　　图1　单晶/环氧树脂复合材料结构

　　2　复合材料的制备

　　复合材料采用切割-浇注工艺制备,其工艺流程如图2所示。首先测量单晶的压电和介电性能,筛选性能较好的晶片制备复合材料;根据单晶含量的体积比设定切割参数,采用自动砂轮划片机(DAD321,Disco公司,日本),在垂直于铁电单晶极化轴表面相互垂直的两个方向上切割单晶,制成图1所示的压电单晶骨架;配制环氧树脂,在单晶骨架中浇注环氧树脂,抽真空排出气泡,室温固化,制成复合材料毛坯;打磨或切割进行毛坯整形,制成复合材料样品;在样品的上下表面溅射电极,进行介电和压电性能测试。

　　图2　单晶复合材料制备工艺流程

　　弛豫铁电单晶采用中国科学院上海硅酸盐研究所研制的001切型晶片PMNT,聚合物选用市售环氧树脂,本实验制备了4种不同单晶体积比的1-3型单晶复合材料(其结构参数见表1),并对复合材料的压电、介电、阻抗特性等性能进行了实验测试和分析。