一种1-3型压电陶瓷复合材料、制备方法及其应用

1.本发明涉及压电复合材料机电耦合技术领域，具体涉及一种1-3型压电陶瓷复合材料、制备方法及其应用。


背景技术：

2.压电换能器广泛应用于水下探测、识别、通信以及生物医学和无损检测。其中，压电材料的机电特性起着至关重要的作用，是换能器优异性能的关键。压电换能器的带宽和能量转换效率主要取决于压电材料的机电耦合系数(k
t
)，即k
t
值越高，带宽越宽，灵敏度越好。
3.1-3型压电复合材料(前一个数字代表压电相的连通性，后一个数字代表聚合物相的连通性；1代表1维连通，即只在一个方向上连通，一般呈线型；3代表三维方向连通，一般3个方向上前后贯通。)具有相对较高的机电耦合系数k
t
值，低的声阻抗z，压电相分布可控，广泛应用于换能器领域。随着对换能器灵敏度、分辨率要求的提高，探索更高机电耦合性能的1-3型压电复合材料具有重要意义。
4.1-3压电复合材料提升机电耦合系数的方式通常有：1、改变压电相的形状，如圆形、方形、三角形(hayward g,b.j.,assessing the influence of pillar aspect ratio on the behavior of 1-3connectivity composite transducers.ieee transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,1996.1(43):p.98-108.)；2、降低聚合物的泊松比，使压电相振动更自由(a,s.w.,optimizing electromechanical coupling in piezocomposites using polymers with negative poisson's ratio.1991,ieee:ieee 1991ultrasonics symposium.p.661-666.)；3、改变压电复合材料的周期结构，如由传统周期结构改变为高斯分布(xu,d.,et al.,design and properties of gaussian-type 1
–
3piezoelectric composites.composite structures,2016.140:p.213-216.)。
5.但是，上述现有技术存在以下的缺点：1)压电相形状的变化不能有效提高机电耦合系数；2)低泊松比聚合物的复合材料容易发生变形，降低性能稳定性；3)非周期结构复合材料的制备复杂，难以批量生产；4)1-3型复合材料的厚度机电耦合性能受压电相的纵向机电耦合系数k
33
的限制。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种1-3型压电陶瓷复合材料、制备方法及其应用，制备的该复合材料突破压电相的纵向机电耦合系数k
33
的限制，能有效提高厚度机电耦合系数，制备简单，能批量生产，不易发生变形，性能稳定，可用于水声换能器的生产制造。
7.为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种1-3型压电陶瓷复合材料，包括由陶瓷柱、聚合物形成的阵列，陶瓷柱的外围
依次设有环氧树脂层、硅胶层，环氧树脂层、硅胶层形成软硬聚合物。
9.所述的环氧树脂占聚合物的体积分数为90％-10％；硅胶占聚合物的体积分数为10％-90％。
10.一种1-3型压电陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
11.步骤1，一次切割：用划片机将陶瓷切成陶瓷柱阵列，形成陶瓷柱骨架，切割完成后超声清洗阵列并干燥；
12.步骤2，一次灌胶：先将环氧树脂和与之对应种类及用量的固化剂混合均匀得到环氧树脂胶体，抽真空以去除气泡；再将环氧树脂胶体倒入步骤1制备的陶瓷柱阵列，填充一次切割缝隙；再次真空除气泡后在室温下固化；打磨固化后的陶瓷环氧树脂复合材料上表面，去除多余的环氧树脂，露出陶瓷柱；
13.步骤3，二次切割：用划片机对步骤2制备的陶瓷环氧树脂复合材料二次切割，且二次切割缝隙宽度小于一次切割缝隙宽度，形成环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列；超声清洗、干燥；
14.步骤4，二次灌胶：将硅胶倒入步骤3制备的环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列，填充二次切割缝隙，形成陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，抽真空除去硅胶中的气泡后在室温下固化；
15.步骤5，打磨：打磨步骤4制备的陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，磨去上下表面多余的硅胶及陶瓷基底，露出陶瓷柱；
16.步骤6，将步骤5制得的陶瓷压电复合材料超声清洗并干燥，磁控溅射金电极，得到1-3型压电陶瓷复合材料。
17.所述的二次切割缝隙中心尽量与环氧树脂填充的一次切割缝隙中心对齐。
18.所述的陶瓷柱宽度与一次切割缝隙宽度之和为复合材料的横向周期尺寸，步骤5打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度与横向周期尺寸相当，即厚度/横向周期＜3。
19.一种1-3型压电陶瓷复合材料用于制备水声换能器。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
21.1)本发明制备的一种1-3型压电陶瓷复合材料有效提升机电耦合性能，应用于水声换能器等器件时，由于能量转化效率的提升，谐振频率与反谐振频率范围扩宽，有利于换能器扩大带宽，而带宽的增加有利于提升分辨率及灵敏度等性能参数。
22.2)本发明制备的1-3型压电陶瓷复合材料相对于改变周期的排列方式，本发明制备方法采用切割填充法，工序简单，切割参数可精准控制，工艺稳定性高，成品重复性好。
23.3)本发明制备的1-3型压电陶瓷复合材料的聚合物相包含软(硅胶)、硬(环氧树脂)两种聚合物，环氧树脂可以作为支撑结构防止压电陶瓷复合材料变形；
24.4)本发明通过软硬聚合物相调控的方式，不同于以往通过纯净厚度振动模式来提升厚度机电耦合系数至纵向机电耦合系数(k
33
)的方法，创新性的使横向振动模式与厚度振动模式耦合形成合并的振动模式，扩宽了谐振频率与反谐振频率间的范围，提升了机电耦合系数k
t
，突破了压电相纵向机电耦合系数k
33
的限制。
25.综上所述，与现有技术相比，本发明采用传统的切割填充法，创新地将软硬两种聚合物结合，调控压电陶瓷复合材料的振动模态，显著地提升材料的机电耦合性能，突破了压电相其本身压电性能的限制。
附图说明
26.图1为本发明1-3型压电陶瓷复合材料的结构示意图。
27.图2为本发明制备方法的流程图。
28.图3为对比例与实施例1-3压电陶瓷复合材料光学图。
29.图4为对比例与实施例1-3压电陶瓷复合材料压电应变常数d
33
对比图。
30.图5为对比例与实施例1-3压电陶瓷复合材料阻抗谱。
31.图6为对比例与实施例1-3压电陶瓷复合材料谐振频率、反谐振频率与机电耦合系数k
t
对比图。
32.图7为对比例与实施例2-3压电陶瓷复合材料声阻抗z对比图。
具体实施方式
33.以下通过实施例说明本发明的技术方案，需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本方案，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.实施例1，参照图1，一种1-3型压电陶瓷复合材料，由陶瓷柱、聚合物形成的阵列，陶瓷柱的外围依次设有环氧树脂层、硅胶层，环氧树脂层、硅胶层形成软硬聚合物，通过软硬聚合物调控厚度振动模式与横向振动模式，使其振动模式耦合并提升机电耦合系数；
35.所述的环氧树脂占聚合物的体积分数为70％。
36.所述的硅胶占聚合物的体积分数为30％。
37.参照图2，所述的一种1-3型压电陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
38.步骤1，一次切割：用划片机将pzt4陶瓷切割成一次切割缝隙宽1.03mm，陶瓷柱宽为1.01*1.01mm2的陶瓷柱阵列，横向周期为2.04mm，形成陶瓷骨架，切割完成后超声清洗陈列并干燥；
39.步骤2，一次灌胶：先将epo-tek 301双组分环氧树脂中的a相树脂与b相固化剂以4：1的质量比例混合均匀，得到环氧树脂胶体，抽真空以去除气泡；再将环氧树脂胶体倒入步骤1制备的陶瓷柱阵列，填充一次切割缝隙；抽真空去除气泡后室温下固化24h，打磨固化后的陶瓷复合材料阵列上表面，去除多余的环氧树脂，露出陶瓷柱；
40.步骤3，二次切割：用划片机对步骤2制备的陶瓷环氧树脂复合材料二次切割，二次切割缝隙宽度为0.25mm，二次切割缝隙中心尽量与环氧树脂填充的一次切割缝隙中心对齐，形成环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列；超声清洗、干燥；
41.步骤4，二次灌胶：将硅胶倒入步骤3制备的环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列，填充二次切割缝隙，形成陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，抽真空去除气泡后在室温下固化24h；其中环氧树脂、硅胶各占聚合物体积分数的70％、30％。
42.步骤5，打磨：打磨步骤4制备的陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，磨去上下表面多余的硅胶及陶瓷基底，露出陶瓷柱；打磨后厚度为2.8mm；打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度与横向周期尺寸相当，即厚度/横向周期＜3；
43.步骤6，将步骤5制得的陶瓷压电复合材料超声清洗并干燥，磁控溅射金电极，得到1-3型压电陶瓷复合材料。
44.对比例：制备相同横向周期及厚度的1-3型压电陶瓷复合材料，作为对照，具体方
法如下：
45.步骤1，切割：用划片机将pzt4陶瓷切成切割缝隙宽1.03mm，陶瓷柱宽为1.01*1.01mm2的陶瓷柱阵列，横向周期为2.04mm，形成陶瓷柱骨架，切割完成后超声清洗陈列并干燥；
46.步骤2，灌胶：先将epo-tek 301双组分环氧树脂中的a相树脂与b相固化剂以4：1的质量比例混合均匀，得到环氧树脂胶体，抽真空以去除气泡；再将环氧树脂胶体倒入步骤1制备的陶瓷柱阵列，填充切割缝隙；抽真空去除气泡后室温下固化24h，打磨固化后的陶瓷复合材料阵列上下表面，去除多余的环氧树脂及陶瓷基底，露出陶瓷柱；
47.步骤3，将步骤2制备的陶瓷环氧树脂复合材料超声清洗并干燥，磁控溅射金电极。
48.对比例与实施例1压电陶瓷复合材料光学图如图3所示，可以看出对比例与实施例1聚合物不同，实施例1包含两种聚合物，白色硅胶包围在环氧树脂周围。
49.采用准静态d
33
测量仪(zj-6a,中国科学院，中国)测量对比例、实施例1中制备压电陶瓷复合材料的压电系数(d
33
)值，测取随机20个点的平均值，对比结果显示实施例1中d
33
值比对比例提升约30.3％，从143.9pc/n提升至187.5pc/n，如图4所示，这是由于硅胶较软，降低了聚合物对压电陶瓷柱的夹持作用。
50.采用阻抗分析仪(e4990a,安捷伦,美国)测量对比例、实施例1中制备压电陶瓷复合材料的阻抗谱图，根据可计算得出所测实施例的机电耦合系数。图5阻抗谱中，对比例出现3个谐振峰，其中频率最低处的峰对应厚度谐振频率fr＝500.5khz,f
r1
＝586khz对应第一横向谐振频率,f
r2
＝748khz对应第二横向谐振频率，即厚度振动附近出现第一、第二横向振动模式；通过软硬聚合物的调控，第二横向振动模式峰消失，但第一横向振动模式干扰仍然存在，参照图6，其中fr＝472.5khz，fa＝565.7khz，通过计算得出其机电耦合系数为0.59，而对比例中由于横向振动模式的干扰，其机电耦合系数为0.39。可以看出硅胶的加入降低了第二横向模态的干扰，机电耦合系数略提升。具体数据如表1所示。
51.表1
[0052] fr(khz)fa(khz)f
r1
(khz)f
a1
(khz)f
r2
(khz)f
a2
(khz)k
t
对比例500.5536.55866767487930.39实施例1472.5565.7624.3703.8//0.59
[0053]
实施例2，将实施例1的环氧树脂和硅胶占聚合物的体积分数均改为50％；制备方法步骤3中的二次切割缝隙宽为0.43mm。
[0054]
本实施例的有益效果为：对比例与实施例2压电陶瓷复合材料光学图如图3所示，可以看出实施例2中白色硅胶含量比实施例1增多。随机测量20个点的压电系数d
33
值，其平均值与对比例结果显示实施例2中比对比例提升约42％，从143.9pc/n提升至205.4pc/n，如图4及表2所示。
[0055]
表2
[0056]
性能d
33
(pc/n)ρ(kg/m3)v
l
(m/s)z(mrayl)对比例143.92706.52803.27.6实施例2205.42631.62785.77.4
[0057]
图5阻抗谱中，实施例2中厚度振动峰与第一横向振动模式合并为一个宽化的阻抗峰；参照图6，实施例2中谐振频率与反谐振频率距离增加，其中fr＝480khz，fa＝726khz，通过计算得出其机电耦合系数为0.78。此外，值得注意的是pzt4压电陶瓷的k
33
为0.69，本实施例2通过厚度振动与第一横向振动耦合突破了压电陶瓷自身性能的影响，为低机电性能的压电材料实现高机电性能提供可能。具体数据如表3所示。
[0058]
表3
[0059] fr(khz)fa(khz)f
r1
(khz)f
a1
(khz)f
r2
(khz)f
a2
(khz)k
t
对比例500.5536.55866767487930.39实施例2480726////0.78
[0060]
通过测量对比例与实施例2的纵波声波v
l
得出，两者的纵波声速差别不大，但是硅胶的密度低于环氧树脂，实施例2中的声阻抗略低于对比例，如图7所示，具体数据如表2。
[0061]
实施例3，将实施例1的环氧树脂和硅胶占聚合物的体积分数分别改为30％、70％；制备方法步骤3中的二次切割缝隙宽为0.64mm。
[0062]
本实施例的有益效果为：对比例与实施例3压电陶瓷复合材料光学图如图3所示，实施例3白色硅胶含量高于实施例2、实施例1。
[0063]
随机测量20个点的压电系数d
33
值，其平均值与对比例结果显示实施例1中比对比例提升约64.56％，从143.9pc/n提升至236.8pc/n，如图4及表4所示。
[0064]
表4
[0065]
性能d
33
(pc/n)ρ(kg/m3)v
l
(m/s)z(mrayl)对比例143.92706.52803.27.6实施例3236.82601.42552.76.7
[0066]
如图5所示，实施例3压电陶瓷复合材料的阻抗谱峰变得尖锐；参照图6，实施例3中谐振频率基本不变，反谐振频率相对实施例1、实施例2降低，其中fr＝481khz，fa＝624.4khz，通过计算得出其机电耦合系数为0.68，接近pzt4压电陶瓷的k
33 0.69。704硅胶的增多使得压电相趋于自由振动，故压电系数d
33
及机电耦合系数k
t
均接近压电陶瓷柱本身的性能。具体数据如表5所示。
[0067]
表5
[0068] fr(khz)fa(khz)f
r1
(khz)f
a1
(khz)f
r2
(khz)f
a2
(khz)k
t
对比例500.5536.55866767487930.39实施例3481624.4////0.68
[0069]
实施例3硅胶含量的增多使得其纵波声波v
l
及密度均低于对比例，计算所得的声阻抗比对比例降低11.8％，如图7所示，具体数据如表4。
[0070]
实施例4，将实施例1的环氧树脂和硅胶占聚合物的体积分数分别改为90％，10％；制备方法步骤3中的二次切割缝隙宽为0.08mm。
[0071]
实施例5，将实施例1的环氧树脂和硅胶占聚合物的体积分数分别改为10％，90％；制备方法步骤3中的二次切割缝隙宽为0.89mm。
[0072]
实施例6，将实施例1的陶瓷相改为pzt5陶瓷，环氧树脂和硅胶分别占聚合物的体积分数为50％，50％；
[0073]
本实施例一种1-3型压电陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0074]
步骤1，一次切割：用划片机将pzt5陶瓷切割成一次切割缝隙宽2mm，陶瓷柱宽为2*2mm2的陶瓷柱阵列，横向周期为4mm，形成陶瓷骨架，切割完成后超声清洗陈列并干燥；
[0075]
步骤2，一次灌胶：先将e-51环氧树脂与对应种类的固化剂以6：1质量比混合均匀得到环氧树脂胶体，抽真空以去除气泡；再将环氧树脂胶体倒入步骤1制备的陶瓷柱阵列，填充一次切割缝隙；再次真空除气泡后在室温下固化；打磨固化后的陶瓷环氧树脂复合材料上表面，去除多余的环氧树脂，露出陶瓷柱；
[0076]
步骤3，二次切割：用划片机对步骤2制备的陶瓷环氧树脂复合材料二次切割，二次切割缝隙宽为0.85mm，二次切割缝隙中心尽量与环氧树脂填充的一次切割缝隙中心对齐，形成环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列；超声清洗、干燥；
[0077]
步骤4，二次灌胶：将硅胶倒入步骤3制备的环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列，填充二次切割缝隙，形成陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，抽真空除去硅胶中的气泡后在室温下固化；其中环氧树脂、硅胶各占聚合物体积分数的50％。
[0078]
步骤5，打磨：打磨步骤4制备的陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，磨去上下表面多余的硅胶及陶瓷基底，露出陶瓷柱；打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度为5.6mm，与横向周期结构相当，厚度/横向周期＜3；
[0079]
步骤6，将步骤5制得的陶瓷压电复合材料超声清洗并干燥，磁控溅射金电极，得到1-3型压电陶瓷复合材料。
[0080]
实施例7，将实施例1的陶瓷相改为pin-pmn-pt陶瓷，环氧树脂和硅胶分别占聚合物的体积分数为50％，50％；
[0081]
本实施例一种1-3型压电陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0082]
步骤1，一次切割：用划片机将pin-pmn-pt陶瓷切割成一次切割缝隙宽0.74mm，陶瓷柱宽为0.6*0.6mm2的陶瓷柱阵列，横向周期为1.34mm，形成陶瓷骨架，切割完成后超声清洗陈列并干燥；
[0083]
步骤2，一次灌胶：先将e-44环氧树脂与对应种类的固化剂以1：1质量比混合均匀得到环氧树脂胶体，抽真空以去除气泡；再将环氧树脂胶体倒入步骤1制备的陶瓷柱阵列，填充一次切割缝隙；再次真空除气泡后在室温下固化；打磨固化后的陶瓷环氧树脂复合材料上表面，去除多余的环氧树脂，露出陶瓷柱；
[0084]
步骤3，二次切割：用划片机对步骤2制备的陶瓷环氧树脂复合材料二次切割，二次切割缝隙宽为0.3mm，二次切割缝隙中心尽量与环氧树脂填充的一次切割缝隙中心对齐，形成环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列；超声清洗、干燥；
[0085]
步骤4，二次灌胶：将硅胶倒入步骤3制备的环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列，填充二次切割缝隙，形成陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，抽真空除去硅胶中的气泡后在室温下固化；其中环氧树脂、硅胶各占聚合物体积分数的50％。
[0086]
步骤5，打磨：打磨步骤4制备的陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，磨去上下表面多余的硅胶及陶瓷基底，露出陶瓷柱；打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度为3.06mm，与横向周期结构相当，厚度/横向周期＜3；
[0087]
步骤6，将步骤5制得的陶瓷压电复合材料超声清洗并干燥，磁控溅射金电极，得到1-3型压电陶瓷复合材料。
[0088]
实施例1-7所述的一种1-3型压电陶瓷复合材料应用于水声换能器，有利于水声换能器扩大带宽提升分辨率等性能参数。

技术特征：
1.一种1-3型压电陶瓷复合材料，其特征在于：包括由陶瓷柱、聚合物形成的阵列，即陶瓷柱的外围依次设有环氧树脂层、硅胶层，环氧树脂层、硅胶层形成软硬聚合物。2.根据权利要求1所述的一种1-3型压电陶瓷复合材料，其特征在于：所述的环氧树脂占聚合物的体积分数为90％-10％；硅胶占聚合物的体积分数为10％-90％。3.权利要求1-2任意一项所述的一种1-3型压电陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，一次切割：用划片机将陶瓷切成陶瓷柱阵列，形成陶瓷柱骨架，切割完成后超声清洗陈列并干燥；步骤2，一次灌胶：先将环氧树脂和与之对应种类及用量的固化剂混合均匀得到环氧树脂胶体，抽真空以去除气泡；再将环氧树脂胶体倒入步骤1制备的陶瓷柱阵列，填充一次切割缝隙；再次真空除气泡后在室温下固化；打磨固化后的陶瓷环氧树脂复合材料上表面，去除多余的环氧树脂，露出陶瓷柱；步骤3，二次切割：用划片机对步骤2制备的陶瓷环氧树脂复合材料二次切割，且二次切割缝隙宽度小于一次切割缝隙宽度，形成环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列；超声清洗、干燥；步骤4，二次灌胶：将硅胶倒入步骤3制备的环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列，填充二次切割缝隙，形成陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，抽真空除去硅胶中的气泡后在室温下固化；步骤5，打磨：打磨步骤4制备的陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，磨去上下表面多余的硅胶及陶瓷基底，露出陶瓷柱；步骤6，将步骤5制得的陶瓷压电复合材料超声清洗并干燥，磁控溅射金电极，得到1-3型压电陶瓷复合材料。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的二次切割缝隙中心尽量与环氧树脂填充的一次切割缝隙中心对齐。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的陶瓷柱宽度与一次切割缝隙宽度之和为复合材料的横向周期尺寸，步骤5打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度与横向周期尺寸相当，即厚度/横向周期＜3。6.一种1-3型压电陶瓷复合材料，其特征在于：由陶瓷柱、聚合物形成的阵列，陶瓷柱的外围依次设有环氧树脂层、硅胶层，环氧树脂层、硅胶层形成软硬聚合物，通过软硬聚合物调控厚度振动模式与横向振动模式，使其振动模式耦合并提升机电耦合系数；所述的环氧树脂占聚合物的体积分数为50％；所述的硅胶占聚合物的体积分数为50％。7.根据权利要求6所述的一种1-3型压电陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，一次切割：用划片机将pzt4陶瓷切割成一次切割缝隙宽1.03mm，陶瓷柱宽为1.01*1.01mm2的陶瓷柱阵列，横向周期为2.04mm，形成陶瓷骨架，切割完成后超声清洗陈列并干燥；步骤2，一次灌胶：先将epo-tek 301双组分环氧树脂中的a相树脂与b相固化剂以4：1的质量比例混合均匀，得到环氧树脂胶体，抽真空以去除气泡；再将环氧树脂胶体倒入步骤1
制备的陶瓷柱阵列，填充一次切割缝隙；抽真空去除气泡后室温下固化24h，打磨固化后的陶瓷复合材料阵列上表面，去除多余的环氧树脂，露出陶瓷柱；步骤3，二次切割：用划片机对步骤2制备的陶瓷环氧树脂复合材料二次切割，二次切割缝隙宽度为0.43mm，二次切割刀片中心尽量与环氧树脂填充的一次切割缝隙中心对齐，形成环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列；超声清洗、干燥；步骤4，二次灌胶：将硅胶倒入步骤3制备的环氧树脂包裹陶瓷柱的复合材料阵列，填充二次切割缝隙，形成陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，抽真空去除气泡后在室温下固化24h；其中环氧树脂、硅胶各占聚合物体积分数的50％、50％。步骤5，打磨：打磨步骤4制备的陶瓷柱外围依次包裹着环氧树脂层、硅胶层的复合材料阵列，磨去上下表面多余的硅胶及陶瓷基底，露出陶瓷柱；打磨后厚度为2.8mm；打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度与横向周期尺寸相当，即厚度/横向周期＜3；步骤6，将步骤5制得的陶瓷压电复合材料超声清洗并干燥，磁控溅射金电极，得到1-3型压电陶瓷复合材料。8.根据权利要求1-7所述的任一种1-3型压电陶瓷复合材料，其特征在于，用于制备水声换能器。

技术总结
一种1-3型压电陶瓷复合材料、制备方法及其应用，复合材料包括由陶瓷柱、聚合物形成的阵列，即陶瓷柱的外围依次设有环氧树脂层、硅胶层，环氧树脂层、硅胶层形成软硬聚合物，通过软硬聚合物调控厚度振动模式与横向振动模式，使其耦合并提升机电耦合系数；制备方法采用切割填充法：先将陶瓷一次切割为陶瓷骨架，在一次切割缝隙中灌注环氧树脂，在一次切割缝隙中进行二次切割，在二次切割缝隙中灌注硅胶，固化后打磨露出陶瓷相；该复合材料可应用于水声换能器，扩大带宽提升分辨率的性能参数；本发明突破压电相的纵向机电耦合系数k


技术研发人员：宁俐 李飞 杜红亮 徐卓 王超 贾楠香 马志强 党毓杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/13