(论文）医学超声成像压电换能器探头的研究_NoRestriction.pdf

毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学_硕士学位论文_医学超声成像压电换能器探头的研究_毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文摘要压电材料的压电效应和逆压电效应更够实现机械能与电能的转换，因而可以通过 将压电材料在高频电信号的激励下产生高频振动，激发出超声波，可以通过压电材料 接收超声波转换成电信号，从而实现医学超声成像。本文的主要研究内容如下；1.采用传统的固相合成法合成PZT-PMN压电陶瓷。通过对材料的钙钛矿结构A 位和B位采用掺杂Sr、Ni和La改性的方法，改善材料的性能。结果表明在1230 烧结,当NiO的含量为O.l wt%,LazCh的含量为0.7wt%时,相对介电常数&=4264,介电损耗tanb=2.08%,压电常数d33=641 PC/No2.采用流延热压法研究了 0-3型复合压电材料。通过0-3型复合，制备声阻抗较 低的压电材料是研究的主要目的。结果表明：当陶瓷相含量达到60%体积含量时，压 电常数d33达到43 PC/N,相对介电常数达到200以上。复合材料的声阻抗小于14 MRayl s,远小于陶瓷材料。3.通过理论分析和软件仿真，研究了压电超声换能器器件的脉冲回波响应，重点 研究了匹配层对压电超声换能器的影响。结果表明当匹配层的声阻抗为6MRayl s,匹 配层的厚度为0.25入时，器件的脉冲回波响应的幅值最高达到0.0035,器件-6dB的带 宽约为中心频率(3 MHz)的50%。4.通过对超声换能器器件参数对性能影响的分析，拟定超声换能器的设计步骤，根据设计的制作工艺，制作超声换能器。关键词：超声成像，超声换能器，压电陶瓷，仿真，匹配层-I-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文Abstr ac tPiezo el ec tr ic effec t and inver se piezo el ec tr ic effec t o f the piezo el ec tr ic mater ial c an c o nver t el ec tr ic po wer between mec hanic ener gy.Piezo el ec tr ic mater ial dr iven by high-fr equent el ec tr ic signal vibr ates at high fr equenc y and gener ates ul tr aso nic wave,whil e it tr ansfo r ms the ul tr aso nic wave into el ec tr ic signal when it r ec eives ul tr aso nic wave.Medic al ul tr aso nic imaging c an be r eal ized by this way.Main r esear c h in this paper inc l udes:1.PZT-PMN piezo el ec tr ic c er amic was pr o duc ed by c o nventio nal so l id synthesis,o By do ping Sr,Ni,and La to substitute the A o r B pl ac e in per o vskite str uc tur e,pr o per ties o f piezo el ec tr ic mater ial c an be impr o ved.Resul ts sho ws when the amo unt o f NiO is 0.1 wt%and LazCh is 0.7 wt%,the sampl e sinter ed at 1230 per fo r ms best pr o per ties.The diel ec tr ic c o nstant r is 4264,diel ec tr ic l o ss Tan8 is 2.08%,and piezo el ec tr ic ity is 641 PC/No2.0-3 piezo el ec tr ic c o mpo site was studied using c asting and ho t-pr ess.This r esear c h is aimed at manipul ate piezo el ec tr ic mater ial with l o w so nic ac o ustic r esistanc e Resul ts indic ates when the vo l ume r atio o f c er amic po wder is 60%,the piezo el ec tr ic ity o f the c o mpo site r eac hes 43 PC/N and diel ec tr ic c o nstant is abo ve 200.Ac o ustic r esistanc e is bel o w 14 MRayl s muc h smal l er than the c er amic.3.Pl use-ec ho impul se r espo nse o f piezo el ec tr ic ul tr aso nic tr ansduc er was studied by theo r etic al anal ysis and so ftwar e simul atio n.Fo c us o f the r esear c h is o n the effec t o f matc h l ayer.Resul ts sho ws when ac o ustic r esistanc e o f the matc h l ayer is 6 MRayl s and thic kness is 0.25入，Pul se-ec ho impul se r espo nse gives the best ampl itude 0.0035 and bandwidth(-6 dB)is abo ut 50%o f the c enter fr equenc y(3 MHz).毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文4.After the anal ysis o n the effec t o f piezo el ec tr ic ul tr aso nic tr ansduc er par ameter s o n the per fo r manc e o f devic e,the r o ute fo r designing was wo r ked o ut.Ul tr aso nic tr ansduc er was pr o duc ed by a c er tain pr o c ess.Key words：ul tr aso nic imaging,ul tr aso nic tr ansduc er,piezo el ec tr ic c er amic,simul atio n,matc h l ayer-ni-毕业论文硕士论文经典论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。不保密口。（请在以上方框内打“J”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月日日期：年 月日毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文-绪论1.1 引言压电效应首先由居里兄弟发现于1880年，即压电材料在压力应变的作用下释放 和吸收电荷，引起了众多学者的广泛关注山。次年，在GLippma的预言的基础上，居 里兄弟又证实了逆压电效应，即在外电场作用下，压电材料发生形变。经过一个多 世纪的发展，压电材料的发展取得了长足的进步，不论是理论研究还是实践应用都取 得了重要的成果，压电材料广泛应用于压力传感器，微制动器，微马达，电声设备，激光设备，超声测距，超声成像设备，医疗设备，高压调节设备，生物芯片等各个领 域。成为重要的经济产业，并推动着军事，航天等先进科技的发展。医学超声成像系统近年来成为研究的热点之一。随着当前社会经济的发展，人们 对生活质量的要求日益提高，对医疗水平的要求也会与日剧增。超声医学成像的原理 是通过接收超声波在组织，器官，骨骼，肿瘤等的界面上的反射，来呈现人体内部组 织器官的状态和病变。医学超声成像设备以其快速，高效，准确，无副作用，对人体 无损伤等优点，成为医学治疗和诊断的必备设备：对人体无损伤，这是与通过X线诊 断的胸透等手段最主要的区别；由于其成像源于对声波信号的电信号转换，反应迅速,能方便地进行动态连续实时观察；由于它可以采用超声脉冲回声方法进行探查，能够 对骨骼或含腔体的脏器组织的表面反射的声波较好地成像。作为超声成像设备的核心部件，超声探头决定了超声成像设备的性能和档次。随 着新材料的开发和改进，超声探头如腔体探头，高密度探头也层出不穷，提高了超声 成像设备的档次和水平。1.2 压电陶瓷发展概况压电材料是实现机械能与电能相互转化的功能材料。压电效应包括正压电效应和 逆压电效应。如图1-1所示，经过极化的压电材料内部存在定向的电偶极矩，使得压 电材料上下表面束缚有电荷，从而达到平衡内电场的效果，对外不显电性。当有压力-1-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文作用在材料上时，材料发生形变，束缚电荷形成的电场与内部电偶极矩形成的电场发 生变化，二者不再平衡，束缚电荷被释放或者吸收，从而对外显电性。束缚电荷图1-1压电效应示意图同理，当对压电材料施加电场，外电场能够促使材料内部的电偶极矩发生变化，直到与外电场达到平衡，从而导致材料发生位移形变。这就是逆压电效应。晶格存在不对称中心是产生压电效应的必要条件。当有力作用在具有不对称中心 晶格的材料上时，材料晶格发生形变，晶格正负电荷中心发生偏移，产生电偶极矩，对外表现极性如图1.2所示。陶瓷材料是指无机粉体通过球磨、造粒、成型和烧结工艺制成的功能材料。陶瓷 材料的微观结构上是由无数的小晶粒聚集而成，每个晶粒的取向都是随机的，因而内 部的电偶极子的取向也是随机的，所以陶瓷材料需要强电场下极化，使电偶极子取向 一致才能表现出压电性。相A 尸、e e t 7 p(3%6 冷一 1Ff fF-图1-2压电效应的机理压电陶瓷最早是1947年美国人开发的钛酸领(BaTiO3)陶瓷。但是，钛酸/陶 瓷的居里温度偏低，逐渐被错钛酸铅(PZT)压电陶瓷所取代。错钛酸铅(PZT)压电陶瓷是钛酸铅(PT)和错酸铅(PZ)的两相固溶体。由于 钛酸铅和错酸铅都是钙钛矿相，Ti原子和Zr原子的原子半径相近，可以形成固溶体。-2-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文当前错钛酸铅的研究主要集中在两个方面：第一个方面是Zr/Ti的比在0.480.52附 近。在钛酸铅和错酸铅的二元相图中，Zr/Ti为0.480.52附近时是一个准同型相界（MPB）o第二个方面是Zr/Ti为95/5附近，富铭相一边是反铁电相，另一边是三方 铁电相，在反铁电与铁电相的相变点附近材料表现出独特的效应巴J。另外，在钛锡酸 铅（PTS）、钛锌锡酸铅（PTZS）、钛铃酸铅（PTH）的准同型相界的研究也很全面I。1961年日本首先在错钛酸铅中添加第三项成分银镁酸铅（PMN）,研制成第一个 三元系压电陶瓷材料，得到优良的压电性能口叫 此后，各种三元系，四元系压电陶瓷 层出不穷。铝锌酸铅（PZN）、银银酸铅（PNN）、锯钻酸铅（PCN）、锯铁酸铅（PFN）、铝镁酸铅（PMT）、铝钻酸铅（PCT）、铝银酸铅（PNT）都具有复合钙钛矿结构，能 够与铝钛酸铅形成一定的固溶体形态，得到非常高的性能参数和优良的综合性能 1 M3 O含铅系的压电材料尽管有着优良的性能，铅的低熔点造成的易挥发性导致性能的 不稳定和环境的污染始终是制约其发展的因素之一。为了解决这一问题，有学者研究 尝试了密封烧结法、埋烧法、气氛法、和过量氧化铅（PbO）法，效果都不太理想，没能很好地解决化学计量比的偏移和环境污染。有学者提出降低错钛酸铅的烧结温度 的方法来抑制铅的挥发，较好地解决了这一问题口56。常用的手段有：1.加入低熔点 的烧结助剂。助剂在较低的温度下形成液相，促进陶瓷在烧结过程中的扩散和质子的 跃迁，起到降低烧结温度，促进材料的致密度。2.采用先驱体合成法。采用化学法制 备表面活性较高的先驱粉体，同时采用细磨工艺制备纳米粉体，能够降低烧结的活化 能，起到降低烧结温度的作用。3.采用先进的烧结工艺。通过采用热压工艺、微波烧 结等实现降低烧结温度的目的。含铅压电材料以其优良的性能，一直占据着压电材料的主要舞台，然而其中铅成 分对环境和人体的危害一直成为病诟的焦点。随着压电材料的发展，2004年，日木学 者研制出无铅压电材料锯酸钠钾（KNN）拥有与错钛酸铅（PZT）媲美的性能。无铅 压电材料从此成为研究的热点，各种性能优异的无铅压电材料见于报道。目前无铅压 电材料有如下体系：钛酸根（PT）基无铅压电材料、锯酸盐系列无铅压电材料、钛酸 秘钠系列无铅压电材料、含秘层状结构无铅压电材料、乌青铜结构无铅压电材料。其 中，前三种为钙钛矿结构。钛酸钢基是最早发现的无铅压电材料，经过长时间的研究已经相当成熟。有通过-3-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文对BaTiO3的A位用掺杂Sr、Ca,在B位用掺杂Zr、Zn、Ce等来改善材料的压电性 能，但是钛酸根基压电材料的居里点比较低，材料的烧结温度高，压电系数也偏低，极大制约了它的应用和产业化。锯酸盐系列无铅压电材料最早报道的是由日本科学家研制的锯酸钠钾(KNN),锯酸钠钾的研究也是基于反铁电相的锯酸钠和铁电相的锯酸钾二元相图的准同型相 界，然而这里的准同型相界与错钛酸铅不同点在于，锯酸钠与锯酸钾相结构差别太大,无法形成良好的固溶体。为了改善性能，还有添加Li取代Na,取得了一定的成果。长期以来，锯酸钠钾一直难以制备得到比较致密的材料，有学者尝试用热压，等离子 放电烧结来提高材料的烧结特性，取得了一定的成果。钛酸钿钠(BNT)系列无铅压电材料是一种A位复合取代的钙钛矿型铁电体。钛 酸秘钠有较高的居里温度，较大的剩余极化强度，大的压电系数，良好的声学性能。成为最有潜力的无铅压电材料。但是，钛酸秘钠的矫顽场较高，而且在铁电相的电阻 率较低不易极化。近年来，人们尝试在BNT中引入准同型相界，提高材料的压电性 能。另一方面，掺杂改性也有研究，用于BNT掺杂改性研究的元素有Cu、Mn、La、Sr、Ni等,都取得了一定成果61汽含秘层状结构无铅压电材料的化学通式是(Bi2O2)2+(Am+1BmO3m+i)它是由 钙钛矿层和氧化钮层沿着C轴方向交替排列而成的结构。这种结构决定了材料的性能 的各向异性和较高的谐振频率。同时，含秘层状结构无铅压电材料的介电常数较低，机械品质因数较高也是它的优点。不足之处在于压电系数不高，矫顽场大。乌青铜结构无铅压电材料是仅次于钙钛矿结构的第二大类铁电体。乌青铜结构内 存在着BCM式的氧八面体结构，这些氧八面体以顶角相连构成骨架，从而堆积成乌 青铜结构。乌青铜结构的压电材料有自发极化强度大、居里温度高、介电常数大等优 点。大多数的乌青铜结构锯酸盐具有优良的电光或者非线性光学性质，而且可以通过 提拉法生长出符合要求的单晶皿。1.3 压电复合材料及发展概况压电陶瓷虽然有着优良的压电性能，但是密度大，声阻抗大，脆性大，可加工性 不好，且不易与水和人体等轻质材料实现声阻抗匹配。压电复合材料是将压电陶瓷和-4-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文有机材料基体按照一定的比例一定的连通方式复合而成的材料。通过复合工艺，可以 制得满足一定压电性能，又能具备有机物的低密度和韧性。压电复合材料通常具有三 个特点：（1）密度低，材料的声速小，声阻抗低。（2）材料柔韧性好，易于制成大面 积的薄膜。（3）介电常数低。复合材料中所含功能相可以用0、1、2或3维方式进行自我连通。若复合材料由 两个相组成，则可有10种连通方式，如图1-3所示，其中第一个数字代表陶瓷相的连 通维数，第二个数字则代表基体的连通维数。主要的研究方法有串并联方法以及等效 电路ML压电复合材料中的陶瓷相是压电复合材料的功能相，决定了压电复合材料的基本 性能。目前，基于成本和来源的稳定，大多的研究都采用PZT陶瓷作为复合的陶瓷相。单晶和其他无铅陶瓷也有见于报道。而对于有机物基体，虽然不是复合材料的功能相,但是有机物的介电常数和电阻率能够在复合材料中影响材料内部的内电场分布和极 化过程中的电流分布，从而影响压电复合材料的性能。有研究报道的有机物基体有很 多，如水泥、环氧树脂、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚乙快（PA）、聚氯乙烯（PVC）、聚 酰亚胺（PI）、偏氟乙烯三氟乙烯共聚物（PVDF-Tr FE）等。其中聚偏氟乙烯介电常 数高（12-14）,熔点170c易于热压工艺和加工，价格便宜，而且聚偏氟乙烯的P相 为具有压电性能的铁电相，成为研究的热点。偏氟乙烯三氟乙烯共聚物（PVDF-Tr FE）介电常数更高，而且通过流延工艺就能得到B相铁电相。-5-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文0-0 0-1 0-2 0-32-3 3-3图1-3两种组分复合材料的10种连通方式图0-3型是指在压电陶瓷以粉体形式均匀分散在三维连通的有机基体中。0-3型压电 复合材料的制作工艺比较简单，适合于产业化的要求。常用的方法有：（1）轧膜法，先将有机物基体在热轧机上加热软化后加入压电陶瓷粉体2支（2）热压法和冷压法，热压法是将有机物加热到熔化温度，加入陶瓷粉体，在一定的压力下热压成型然后冷 却；冷压是直接将陶瓷粉体与有机物混合后直接加压成型。（3）溶液混合法，将有机 物溶解于相应的溶剂中，将陶瓷粉体加入其中将溶剂烘干挥发后得到0-3型复合材料。0-3型压电复合材料由于有机物的介电常数通常较小，压电陶瓷介电常数通常较大，材料内建电场的分布在有机物上较大，在陶瓷相上较小。使得陶瓷相上的电偶极矩变 化很难反映到整体的压电性能上。为了解决这一问题，有学者研究了用在陶瓷粉体上 包裹一层中介电常数的材料的方法来改善内建电场的分布，取得了一定的成果。另外,由于有些有机物的电阻率大于陶瓷材料的电阻率，导致极化过程中电压主要加载在有 机物上，陶瓷材料没有充分极化，有学者研究用添加导电材料如石墨，聚苯胺等来改 善材料的电导，提高极化效果Pg工1-3型压电复合材料是由压电陶瓷柱平行C轴方向上按照定规律排列在有机物 基体中构成的材料。由于材料在C轴方向上局部是由陶瓷柱连通的，因此不存在极化 不充分的问题，因此1-3型复合材料的压电系数比相同固相含量的0-3型复合材料的 压电系数要大。同时由于在陶瓷柱周围有有机物，降低了复合材料的密度，能够降低-6-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文材料的声阻抗。这样的结构适合于声学领域如水听器，超声成像设备，无损探伤等。1-3型压电复合材料的制作方法一般有以下几种：排列浇铸法、割模浇铸法、注射成 型法、激光切割法。这些方法基本的流程就是将一维的陶瓷柱定向排列，然后将熔化 的有机物浇灌到陶瓷柱的间隙。差别在于陶瓷柱和陶瓷纤维的制作工艺与定向排列的 工艺不同12629。除了上述两种主要类型的压电复合材料，还有2-2型、3-3型、1-3-2型的研究也 很多。2-2型的压电复合材料是压电陶瓷和有机物在A、B轴方向上的二维空间上连 续在C轴方向交替排列而成的材料。3-3型压电复合材料是指压电陶瓷材料和有机物 分别在三维空间上交织连通而成的材料。这两种类型都有较好耐冲击性能，在大的压 力下不会出现结构畸变。然而却存在压电性能不高的缺点。1-3-2型压电复合材料可 以看作是1-3型改进型。能够集合1-3型的高压电系数和2-2型的优秀的耐冲击性能。然而，这些类型的压电复合材料最大的制约因素是制作工艺复杂。常用的方法是先制 作成3-3型或者2-2型的多孔陶瓷体然后再加入有机物基体填充。制作3-3型多孔陶 瓷的方法有：（1）复型法。先将成分是碳酸钙的珊瑚注入蜡成型，再用盐酸溶解珊瑚，然后将PZT陶瓷粉加入蜡复型烧结得到PZT骨架。（2）塑料球颗粒燃烧法。将陶瓷 粉与造孔剂（固体颗粒有机物）按照一定比例粘合加压成型。然后在一定的温度下保 温除去造孔剂和黏合剂，烧结成三围联通的多孔陶瓷。（3）熔丝沉积法。将陶瓷粉末 分散到一个热塑性的材料中，挤制成丝，再将这些丝在电脑的控制下一层层沉积成三 维结构即倒。1.4 超声成像发展现状超声在医学上的应用开始于上世纪二三十年代前苏联科学家So ko l o v的超声热疗 工作，1942年奥地利K.T.Dussik实用型超声装置用穿透法探测颅脑；1950年J.J.Wil d 等开始应用脉冲反射式型A超声诊断仪分析组织构造，获得了脑肿瘤反射波；1951年 J.J.Wil d和J.M.Reid研制成手动接触式B型扫描，并对脏器进行超声成像年代，日本 里村茂夫将Do ppl er效应引入超声医学；1980年左右日本公司首先推出血流彩色成像。我国的超声成像发展晚，到90年代开始有了一些发展，在中低档以及黑白成像B超 设备正逐步取代国外产品，但是在中高档彩超的发展还相对落后中-39。-7-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文超声设备的体系分为A型超声诊断仪、B型超声诊断仪、M型超声诊断仪、D型 超声诊断仪等。超声成像设备目前的发展主要朝向两个方向，第一是朝向便携式价格低廉的超声 成像仪，这主要面向小诊所，移动医疗站等的应用，其中主要的问题是设备成本对其 广泛使用的制约。第二是高清晰度，高分辨率，三位立体的超声成像设备的研制，朝 向系统化，综合化，多功能化得方向发展。1.5 选题的目的和意义随着人们生活水平的提高，人们对医疗设备尤其是超声诊断设备的需求将越来越 大，我国医疗器械尤其是数字医疗设备市场一直被国外产品所掌控，原因是进口设备 技术优势明显，其医疗设备故障率低，图象质量好，空间分辨率，时间分辨率较高，所以说国内技术在多功能和高质量图象以及基础研究，开发方面仍有明显差距，有待 理工医学各界合作早日跨入国际先进行列。作为医学成像的核心部件，超声探头的研 究是亟待解决的课题。1.6 选题的研究内容本文以压电材料为敏感阵元，制作了基于医学成像用超声换能器的探头。其中涉 及到压电材料的制备，0-3型压电材料的制备，器件结构的理论仿真，器件制作的工 艺设计，器件参数的优化。本文希望通过对单阵元的研究，为超声成像的线阵列和面 阵列的研究打下基础。本论文的结构如下：第一章介绍了压电材料的发展历程，介绍了超声成像设备的发展现状，并阐明T 本论文的研究内容及其意义。第一章研究了 PZT-PMN压电陶瓷制备和改性。通过Sr,Ni和La的掺杂来改善 PZT-PMN的性能。通过0-3复合来改善压电材料的声学性能。笫三章分析了压电敏感阵元作为超声成像压电换能器探头的理论基础。通过仿真 研究了匹配层对换能器性能的影响。-8-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文第四章分析了压电换能器性能的影响因素。确定了压电换能器的设计流程。制作 了压电换能器并测试了性能。第五章给出了本论文的主要结论以及今后工作的展望。-9-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文二压电敏感元材料的制备2.1 引言本实验采用传统的固相法合成错钛酸铅系列陶瓷，传统固相法合成陶瓷有价格便 宜，工艺相对简单等优点，是压电陶瓷的常用制作方法。2.1.1 压电陶瓷所用的原材料：表2-1原材料基本信息原料纯度含量生产厂家La2（）3A.R.99.0%中国医药（集团）上海化学试剂公司Sr CO3A.R.99.8%国药集团化学试剂有限公司PbOA.R.99.0%国药集团化学试剂有限公司TiO2A.R.98.0%仙桃市中星电子材料有限公司Zr O2A.R.99.0%国药集团化学试剂有限公司Nb2O5A.R.99.0%国药集团化学试剂有限公司MgOA.R.98.0%国药集团化学试剂有限公司NiOA.R.97.5%国药集团化学试剂有限公司表2-1是实验所用原料的基本信息。2.1.2 固相法的工艺流程：本实验采用的两步合成法。首先，将MgO和NbzOs按照1：1的摩尔比称量，然 后将二者混合球磨4小时，待球磨完毕，倒入瓷盘中烘干，烘干之后将粉料压制成块,在马弗炉中900摄氏度下预烧两个小时，制得MgNb2O6前驱体。将各原材料与前驱体按照材料合成成分的化学计量比称量，称量完成后将粉料混 合球磨4小时，待球磨完毕，倒入瓷盘中烘干，再在马弗炉中900摄氏度下预烧两个 小时，将预烧后的块体再次球磨，球磨后的粉体烘干，加入黏合剂，压制成小圆片，-10-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文在马弗炉中在600 下保温一个小时排胶,在不同烧结的温度下保温2个小时烧结致 密。将烧结好的圆片两面被上电极，在550摄氏度下烧渗电极。在硅油的保护下在3 KV/mm的直流电压下极化。其中各样品编号与样品成分对应如表2-2所示：表2-2样品编号与样品成分对应表编号 样品陈分A 0瓦.93S4.O7(“且1/32/3)0.25 Ti().37 2Z&7 83+10/%乙。203+OAwt/oNiOB P%91 S4.0 9(Mgl/3N52/3)0.25T0.37 2Z4.37 83+lw%L“20 3+W%M.。C.89S4.1 1(知&/352/3)0.257，0.37224.3783+1血L。203D PbosiSQjMg1322口)0 2500 37/378。3+1皿%。3+01皿所。E 0.85,l5 1/32/3)0.25 0,372/0.3783 1ma。203+O.1 VV，N，。H 0%.91 S%.0 9(Mg 1/3-2/3)0.25 0,37 20,37 83I 0.91(3。从图中可以看出，整体趋势上在1230 烧结的各样品的压电 常数都相对较大，当烧结温度较低时，烧结不致密晶相合成不完善导致材料的压电常 数偏小；当烧结温度较大时，材料的晶粒生长异常，晶格发生畸变，也会导致材料的 压电常数偏小。其中在1230 烧结的L号样品压电常数达到640PC/N,是各样品中 最大的。表2-4是各组分样品在1200 和1230 下烧结的样品的频率常数。表2-4各样品的频率常数样品编号HIJKLM1200C烧结样品的 频率常数(MHz,mm)2.162.182.132.122.252.281230C烧结样品的 频率常数(MHz,mm)2.242.292.162.192.272.25-16-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文2.4 0-3型复合压电材料压电陶瓷较高的声阻抗(大于30MRayl s,1 MRayl s=10 MPa,s/m)一直是制约 其发展的因素。压电陶瓷与低声阻抗的水和人体(1.5 MRayl s)之间的声阻抗失配，将造成超声信号在界面上反射，难以传播到陶瓷敏感元上。笔者期望通过压电陶瓷粉 与PVDF实现0-3复合来降低材料的声阻抗。本文中使用的PVDF共聚物粉体是由中昊晨光化工研究院(四川，中国)提供，密度为1.732 g/c n?,相对介电常数为io。本文中使用的陶瓷粉是由潍坊聚德电子有限 责任公司(山东，中国)提供的陶瓷块材，通过打碎、球磨得到。粉体平均粒径为3 gmo P51的主要成分是错钛酸铅(PZT),P71的主要成分是钛酸铅(PT),陶瓷块材性能如 表2-5所示：表2-5陶瓷块材的各项性能参数d33(PC/N)8Tan8(%)纵向 声速V(m/s)密度p(g/c m3)声阻抗(Pa,s/m)P5165023001.239307.5294.75P71561901.941007.5307.5首先将一定量的PVDF共聚物粉体溶解到N、N-二甲基甲酰胺溶液中至澄清透明，加入一定量的混合陶瓷粉磁力搅拌20分钟，超声震荡20分钟使之分散均匀。将得到 的混合浆料流延，在60 C的烘箱中烘干，再将烘干的生片剪碎，在180 的4MPa 的压力下热压成型,成直径10.6 mm的圆片。圆片两面被上银电极，在室温下6 KV/mm 的电场下极化30分钟。实验中研究了不同陶瓷固相含量对复合材料性能的影响，实验使用的是P51和 P71陶瓷粉；研究了不同陶瓷组分对复合材料的性能影响，各样品编号分别表示各样 品中的两种固相陶瓷的比例不同：A：0.05P71+0.95P51；B：0.1P71+0.9P51；C：0.15P71+0.85P51；D：0.2P71+0.8P51 o称取等量的混合后的陶瓷粉,分别与等量的 PVDF进行复合。-17-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文2.4.1 不同固相含量对复合压电材料的损耗的影响图2-7复合材料的介电损耗随固相含量的变化图2-7是不同P51陶瓷固相含量的复合材料的介电损耗。从图中可以看出，复合 材料的介电损耗随着固相含量的增加而下降，到固相含量高于40%时介电常数的损耗 趋于平稳。这是由于一方面PVDF的损耗较大，PVDF的含量下降会降低材料的损耗;另一方面复合材料的界面会增加损耗，固相含量的增加会增加复合材料的界面数量，增加材料的损耗。2.4.2 不同固相含量对复合压电材料的相对介电常数的影响10908 7 6504 33-d J200 10%20%30%40%50%60%Vol%图2-8复合材料的相对介电常数随固相含量的变化experimental data theoretical data根据文献记载，0-3型复合材料的介电常数按照Jayasunder e and Smiths mo del40-18-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文满足以下公式:+3马/(2+2与)口+3l2(f2-?)/(f2+2与)vx+u231/(s2+2f1)l+3l2(,-1)/(,+2昌)(2-2)其中5,U2分别是PVDF共聚物和陶瓷粉体的体积分数；82,0分别是陶瓷粉体和复合材料基体的相对介电常数。当281时，上式可以简化为下列公式:g=1(1+)1 4(1+34)(2-3)图2-8是不同P51陶瓷固相含量的复合材料的相对介电常数的实验值和根据上2-3 式计算的理论值。从图中可以看出，当固相含量较低时，复合材料的相对介电常数与 理论值符合较好，当固相含量较高时，复合材料的相对介电常数比理论值偏小，这是 因为固相含量较高时复合材料的连通形式发生变化，不再是0-3型复合，造成了实验 值与理论值之间的偏差。2.4.3 不同固相含量对复合压电材料的压电常数的影响3020100(Ndd)A1OE。QOZ O:4010%20%30%40%50%60%Vol%图2-9复合材料的压电常数随固相含量的变化对于0-3型的复合，根据Yamada的模型网】：43=口2 Gd33c+33 wG=ns!ns+-助(2-4)(2-5)其中d33c，d33m分别是陶瓷粉体和共聚物基体的压电应变常数，U|，U2分别是PVDF-19-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文共聚物和陶瓷粉体的体积分数；82,分别是陶瓷粉体和复合材料的相对介电常数，G 是内电场系数，n是极化因子，对于0-3型复合材料，n通常取4。热压后的PVDF为无压电性能的a相，d33m=0。复合材料的压电性能主要由陶瓷 相贡献。由（2-5）式可以看出，当陶瓷粉体的介电常数与复合材料相差较大时，即吻8,G比较小，约等于与功的比值，而G又是d33c的系数，严重影响复合材料的压电性 能。图2-9是不同P51陶瓷固相含量的复合材料的压电常数，复合材料的压电常数随 着陶瓷固相含量的增加而增加，但都不大，基本符合理论的数值。2.4.4 不同陶瓷组分对复合压电材料影响研究0-3型复合压电材料，目的是为了降低压电材料的声阻抗，更好地实现材料 之间的声阻抗匹配，复合材料中的固相含量越低则密度越小，材料的声阻抗越小，然 而根据前述部分的研究表明，复合材料的固相含量越低，材料的压电性能越差，本研 究采取60%固相含量作为研究的折中方案。表2-6样品的密度和厚度样品编号ABCD密度(g/c m3)5.165.095.265.35样品厚度（mm）0.780.820.780.69表2-6中是样品测试的到得密度和厚度。由于热压工艺的原因，造成各样品的密 度和厚度轻微的不一致。根据复合材料密度的公式：P-UP+U2P2（2-6）其中p是复合材料的密度，5,1）2分别是PVDF共聚物和陶瓷粉体的体积分数，P1，P2分别是PVDF共聚物和陶瓷粉体的密度。由于P51和P71的密度相同，根据表 中实验测得的数据，可以反推出样品中P51+P71陶瓷相与有机物基体的体积比。-20-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文2.4.5 不同陶瓷组分对复合压电材料压电常数的影响O65O 5 6 5(%)0=的(EnoABC50SampleD(Ndd)Alouo&OZ O:30图2-10样品的陶瓷相体积分数和压电应变常数图2-10中给出了各样品的陶瓷相体积分数和样品的压电应变常数d33o从图中我 们可以看出各样品中P51+P71固相陶瓷体积分数占复合材料的58.6%到62.1%之间，这是由于热压工艺造成的样品之间的轻微差异。而样品的压电应变常数d33随着样品 的陶瓷相中P71的含量增加有缓慢的下降，至P71达到占陶瓷相中的比例为20%时剧 烈下降。P51的介电常数较大，不利于压电性能的耦合体现，当P71含量较少时，介电常 数适中的P71在介电常数小的基体与介电常数大的P51之间形成了过渡，改善了电场 耦合，弥补了压电应变常数大的P51的减少对压电性能的损失。当P71含量较大时，则主要表现为P51的减少造成了压电性能的下降。2.4.3 不同陶瓷组分对复合压电材料的介电性能的影响图2-11是各样品的相对介电常数和介电损耗。各样品的介电常数随着陶瓷相中 P71含量的增加，由于P71的介电常数较小，复合材料的介电常数整体有下降的趋势。然而，尽管P71和P51的介电损耗不同，各样品的介电损耗却差别不大，这是因为陶 瓷相的介电常数大而PVDF基体的介电常数较小，外加电场依介电常数的反比关系主 要加在有机基体上，陶瓷相上的分电压不多，能量的损耗主要由界面损耗和基体的损-21-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文耗造成。210B%!Dieectric loss I I Permittivity205Sample图2-11样品的相对介电常数和介电损耗2.4.6 不同陶瓷组分复合压电材料的阻抗谱分析图2-12和图2-13是样品的频谱分析得到的相位角和阻抗随频率的变化。由于样 品的压电应变常数偏小，从阻抗曲线我们只能看到一个小的突起，然而从相位角的变 化我们却能看到明显的峰，这说明压电复合材料产生了谐振。综合图2-12和图2-13,相位角的峰值和阻抗的突起对应的频率，即可以确定样品的谐振频率。图2-12样品的相位角随频率的变化-22-毕业论文硕士论文经典论文华中科技大学硕士学位论文OOOOOOOO 05050505 87766554。UEPodu-4003501.2E61.4E6 1.6E6 1.8E6 2E6 2.2E6 2.4E6Frequence(H