本發(fā)明屬于壓電復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：1-3壓電復(fù)合材料是由一維連通的壓電相周期性分布于三維連通的聚合物相中形成的一種由兩相材料構(gòu)成的壓電復(fù)合材料。由于其具有高的厚度機(jī)電耦合系數(shù)，較低的機(jī)械品質(zhì)因素和聲阻抗，已被廣泛研究并應(yīng)用于水聲換能器、超聲探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。rouffaud等人(rouffaudr,levassortf,phamtm,etal.super-cellpiezoelectriccompositewith1-3connectivity.[j].ieeetransactionsonultrasonics,ferroelectrics,andfrequencycontrol,2016,63(12):2215-2223.)在1-3型壓電復(fù)合材料中引入了用于聲子晶體的超單元結(jié)構(gòu)的概念，研制了1-3型超單元壓電復(fù)合材料，提高了壓電復(fù)合材料的工作帶寬。he等人(hec,wangy,luy,etal.designandfabricationofair-based1-3piezoelectriccompositetransducerforair-coupledultrasonicapplications[j].journalofsensors,2016,2016(6):1-11.)利用3d打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種空氣基1-3型壓電復(fù)合材料，其機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)0.7左右。liu等人(liud,yueq,dengj,etal.broadbandandhighsensitivetime-of-flightdiffractionultrasonictransducersbasedonpmnt/epoxy1–3piezoelectriccomposite.[j].sensors,2015,15(3),6807-6817.)研制了一種pmnt/epoxy1-3型壓電復(fù)合材料，其機(jī)電耦合系數(shù)可以達(dá)到0.857左右。qin等(xuhuimi,leiqin*,qingweiliao,likunwang,electromechanicalcouplingcoefficientandacousticimpedanceof1-1-3piezoelectriccomposites,ceramicsinternational43(2017),7374–7377.)人研制了一種1-1-3型壓電復(fù)合材料，基于壓電陶瓷的復(fù)合材料機(jī)電耦合系數(shù)可以達(dá)到0.69?；诔谠ヨF電單晶的1-1-3型壓電復(fù)合材料，機(jī)電耦合系數(shù)可以達(dá)到0.89(qinl,wanglk,longd,etal.thestudyof1-1-3piezoelectriccompositebasedonrelaxorferroelectricsinglecrystal[c]//applicationsofferroelectrics,internationalworkshoponacoustictransductionmaterialsanddevices&workshoponpiezoresponseforcemicroscopy(isaf/iwatmd/pfm),2014jointieeeinternationalsymposiumonthe.ieee,2014:1-4.)。由于聚合物的存在，壓電復(fù)合材料的厚度振動(dòng)模式會(huì)受到橫向聚合物共振的影響，導(dǎo)致壓電復(fù)合材料的綜合性能下降。因此，為了改善1-3壓電復(fù)合材料的厚度振動(dòng)模式性能，就必須避免其厚度振動(dòng)模式附近的聚合物橫向共振干擾。p.reynolds等人(reynoldsp,hyslopj,haywardg.analysisofspuriousresonancesinsingleandmulti-elementpiezocompositeultrasonictransducers[c]//ultrasonics,2003ieeesymposiumon.ieee,2003,2:1650-1653.rouffaudr,hladky-hennionac,maipt,etal.influenceof1-3piezocompositefabricationsonlateralmodes[c]//ultrasonicssymposium.ieee,2012:1-4.)分析了1-3壓電復(fù)合材料中陶瓷柱間寄生諧振產(chǎn)生的原因，通過(guò)在壓電復(fù)合材料中引入準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)減少了橫向振動(dòng)對(duì)厚度振動(dòng)模式的干擾。此外，改變壓電相的形狀和寬高比也可以改善壓電復(fù)合材料的機(jī)電性能，通常使用三角柱或正六棱柱的復(fù)合材料有良好的去偶效果。但這些現(xiàn)有技術(shù)存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、機(jī)械穩(wěn)定性不好等缺點(diǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提出一種改進(jìn)的1-3型壓電復(fù)合材料，通過(guò)采用環(huán)氧樹脂與硅橡膠構(gòu)成的夾心式結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)聚合物相材料，以此來(lái)減小1-3型壓電復(fù)合材料中的聚合物相對(duì)壓電相振動(dòng)的影響。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種基于改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料，包括壓電陶瓷柱陣列，以及填充于壓電陶瓷柱之間的支撐層，所述支撐層位于壓電陶瓷柱之間的空隙的中間位置，所述支撐層的兩側(cè)保留空隙或填充楊氏模量小于所述支撐層的楊氏模量的聚合物。進(jìn)一步地，所述支撐層為聚合物或壓電陶瓷。進(jìn)一步地，所述支撐層為環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂，所述支撐層兩側(cè)填充硅橡膠或聚氨酯。除這些材料外，也可以采用其它合適的材料。進(jìn)一步地，所述支撐層兩側(cè)填充具有單一楊氏模量的聚合物；或者所述支撐層兩側(cè)填充具有梯度楊氏模量的聚合物，且聚合物的楊氏模量從靠近壓電陶瓷柱中間位置到靠近壓電陶瓷柱兩端位置逐漸降低。所述具有梯度楊氏模量的聚合物可以是分層結(jié)構(gòu)，即由楊氏模量不同的至少兩層聚合物構(gòu)成；也可以不分層，即楊氏模量均勻變化。一種制備上述基于改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的方法，該壓電復(fù)合材料中的支撐層采用第一聚合物，支撐層兩側(cè)采用第二聚合物，第二聚合物的楊氏模量小于第一聚合物的楊氏模量，該方法包括以下步驟：1)切割壓電陶瓷，形成壓電陶瓷柱陣列；壓電陶瓷在厚度上不透切，以使各壓電陶瓷柱保留共同的基底；2)向壓電陶瓷柱之間的切槽內(nèi)澆注第一聚合物，并固化；3)切割第一聚合物，切槽與步驟1)切割壓電陶瓷形成的切槽一致，切槽深度等于第二聚合物的設(shè)計(jì)深度；4)在步驟3)形成的切槽中澆注第二聚合物；5)將壓電陶瓷倒置，切割步驟1)預(yù)留的壓電陶瓷基底，形成壓電陶瓷柱陣列，切槽與步驟1)形成的切槽對(duì)齊，切槽深度等于第二聚合物的設(shè)計(jì)深度；6)向步驟5)形成的切槽中澆注第二聚合物，并固化。一種制備上述基于改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的方法，該壓電復(fù)合材料中的支撐層為壓電陶瓷，支撐層兩側(cè)填充聚合物，該方法包括以下步驟：1)切割壓電陶瓷形成壓電陶瓷柱陣列，切槽的深度等于聚合物的設(shè)計(jì)深度；2)向切槽內(nèi)澆注聚合物，并固化；3)將壓電陶瓷倒置，切割壓電陶瓷形成壓電陶瓷柱陣列，切槽與步驟1)形成的切槽對(duì)齊，切槽深度等于聚合物的設(shè)計(jì)深度；該步驟形成的切槽與步驟1)形成的切槽之間保留一層壓電陶瓷，作為支撐層；4)向步驟3)形成的切槽內(nèi)澆注聚合物，并固化。本發(fā)明除上述制備方法外，也可以采用其它方法，如先正向切槽-灌注硅橡膠-反面切槽-灌注環(huán)氧樹脂-再切槽-灌注硅橡膠；或者先正向切槽-灌注環(huán)氧樹脂-再正向切槽-再反向切槽-再兩面一起灌注硅橡膠，等等。本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明提出了一種改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料，聚合物中心層采用環(huán)氧樹脂，上層和下層澆注硅橡膠來(lái)減小聚合物橫向諧振干擾，使壓電復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)顯著提升。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)比常規(guī)的1-3型壓電復(fù)合材料高11％左右，當(dāng)聚合物相中硅橡膠的體積分?jǐn)?shù)大于60％時(shí)，改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)為0.68左右，性能提升顯著。因此，這種改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料非常適用于制造具有高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的壓電復(fù)合材料換能器。附圖說(shuō)明圖1.改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為帶金屬電極的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為不帶金屬電極的1/4周期的復(fù)合材料示意圖。圖2.四分之一周期的有限元模型示意圖。圖3.復(fù)合材料導(dǎo)納曲線圖。圖4.復(fù)合材料位移云圖。圖5.復(fù)合材料性能參數(shù)隨含量vs的變化曲線圖，其中：(a)fs&fp～vs曲線，(b)v～vs曲線，(c)keff～vs曲線，(d)z～vs曲線。圖6.改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料制備工藝流程圖。圖7.改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的照片。圖8.仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖，其中：(a)fs～vs曲線，(b)v～vs曲線，(c)keff～vs曲線，(d)z～vs曲線。圖9.中間層為環(huán)氧樹脂且其兩側(cè)保留空隙的示意圖。圖10.中間層為壓電陶瓷層且其兩側(cè)保留空隙的示意圖。圖11.中間層為壓電陶瓷層且其兩側(cè)填充硅橡膠的示意圖。具體實(shí)施方式下面通過(guò)具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例的改進(jìn)的1-3型壓電復(fù)合材料，通過(guò)采用環(huán)氧樹脂與硅橡膠構(gòu)成的夾心式結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)聚合物相材料，以此來(lái)減小1-3型壓電復(fù)合材料中的聚合物相對(duì)壓電相振動(dòng)的影響，并應(yīng)用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)的方法分析了這種新型壓電復(fù)合材料的機(jī)電性能。1.改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)圖1為改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖，它由周期性地排列的壓電陶瓷柱陣列以及具有夾心式結(jié)構(gòu)的聚合物相組成。聚合物中間層填充的是環(huán)氧樹脂(作為支撐層)，頂層和底層填充硅橡膠。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是因?yàn)楫?dāng)壓電陶瓷柱縱向伸縮振動(dòng)時(shí)，其中間部分為振動(dòng)節(jié)面，應(yīng)變趨于零，在此處設(shè)計(jì)楊氏模量較高的環(huán)氧樹脂，可以起到橫向支撐的作用。而靠近壓電柱兩個(gè)邊緣的地方，其應(yīng)變較大，在此處采用楊氏模量較低的硅橡膠，可以減小聚合物相對(duì)壓電陶瓷柱縱振動(dòng)的束縛作用，進(jìn)而提高其機(jī)電耦合系數(shù)。在圖1中，t,l,a,b分別表示復(fù)合材料的厚度，復(fù)合材料的邊長(zhǎng)，壓電陶瓷柱的寬度和聚合物的寬度，頂層和底層硅橡膠的厚度相同，為tx，則環(huán)氧樹脂的厚度為t-2tx，壓電相材料占復(fù)合材料整體的體積百分比為vc＝na2/l2(n為壓電復(fù)合材料中陶瓷柱的個(gè)數(shù))，硅橡膠占聚合物相材料的體積百分比為vs＝2tx/t。2.有限元仿真為說(shuō)明改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)的可行性，用有限元方法分析了復(fù)合材料材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各項(xiàng)性能的影響。由于1-3型壓電復(fù)合材料是由相同的結(jié)構(gòu)單元以特定周期排列形成，其單元的對(duì)稱邊界如圖2所示。為簡(jiǎn)化建模及減少計(jì)算時(shí)間，僅選取單元的1/4建立有限元模型。壓電相材料采用pzt-5a壓電陶瓷。聚合物相材料采用618環(huán)氧樹脂和704硅橡膠，其材料參數(shù)如表1所示。1-3壓電復(fù)合材料四分之一周期的有限元模型如圖2所示，選取a＝1mm，b＝0.56mm，厚度t＝5mm。有限元模型中網(wǎng)格尺寸為中心頻率處的1/50個(gè)波長(zhǎng)，掃描頻率范圍從230khz到430khz。表1.聚合物材料參數(shù)通過(guò)改變聚合物中硅橡膠體積百分比vs，研究聚合物相中硅橡膠厚度tx從0mm到2.5mm(間隔為0.5mm)復(fù)合材料的性能,對(duì)應(yīng)的硅橡膠的體積百分比vs從0到1，0為只填充環(huán)氧樹脂的普通1-3型壓電復(fù)合材料，通過(guò)有限元分析軟件ansys的諧響應(yīng)分析得到了復(fù)合材料的導(dǎo)納曲線，如圖3所示(vs＝0.4)。其中，諧振頻率fs是導(dǎo)納取最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，反諧振頻率fp是導(dǎo)納取最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。復(fù)合材料在諧振時(shí)的應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。圖中分別給出了當(dāng)硅橡膠體積百分比vs為0、0.4、0.8及1時(shí)的復(fù)合材料應(yīng)變?cè)茍D，該圖為灰度圖片，其實(shí)際原圖為彩色圖片，圖中下方長(zhǎng)條形的各段中，從左到右分別為深藍(lán)色、中藍(lán)色、淺藍(lán)色、深綠色、淺綠色、黃色、橙色、紅色。通過(guò)分析壓電柱的應(yīng)變分布可以看出壓電柱的中心部分應(yīng)變趨于0，而兩端位移最大，此為典型的縱向伸縮振動(dòng)模態(tài)。對(duì)比圖中壓電陶瓷柱頂點(diǎn)處應(yīng)變可以看出，隨著硅橡膠體積百分比vs的增大，壓電陶瓷柱的應(yīng)變也在增加，這說(shuō)明硅橡膠的存在可以有效的減少聚合物對(duì)壓電相的束縛。同時(shí)對(duì)比硅橡膠體積百分比vs為0.8和1的兩種情況，可以看出，由于20％環(huán)氧樹脂的存在，壓電柱中間節(jié)面的范圍有所擴(kuò)大，但是其端面的應(yīng)變與全為硅橡膠時(shí)的應(yīng)變?cè)谕涣考?jí)?？梢?jiàn)，在此處引入一定量的環(huán)氧樹脂對(duì)復(fù)合材料整體壓電性的影響較為有限。復(fù)合材料的有效機(jī)電耦合系數(shù)可以用以下公式求出(hossackja,haywardg.finite-elementanalysisof1-3compositetransducers.[j].ieeetransactionsonultrasonicsferroelectrics&frequencycontrol,1991,38(6):618-629.)：keff＝((fp2-fs2)/fp2)1/2(1)其中，fp是諧振頻率，fs是反諧振頻率復(fù)合材料的聲速和密度可以用以下公式求出：v＝2fpt(2)ρ＝vcρc+(1-vc)(vsρs+(1-vs)ρe)(3)其中，vc是壓電陶瓷材料的體積百分比，vs是硅橡膠材料占聚合物材料的體積百分比，ρc是壓電材料的密度，ρe是環(huán)氧樹脂的密度，ρs是硅橡膠的密度。特性阻抗z可以用以下公式求出：z＝ρv(4)不同硅橡膠體積百分比的復(fù)合材料的性能總結(jié)在表2中。表2.有限元仿真結(jié)果根據(jù)仿真結(jié)果，得到復(fù)合材料的諧振頻率fs、反諧振頻率fp、聲速v、特性阻抗z及機(jī)電耦合系數(shù)keff隨硅橡膠占聚合物體積百分比vs的變化曲線，如圖5所示。由圖5(a)可以看出，隨著硅橡膠體積百分比vs的增大，雖然復(fù)合材料中壓電陶瓷的體積百分比沒(méi)有變化，但是復(fù)合材料的諧振頻率fs、反諧振頻率fp均產(chǎn)生了一定的變化。雖然壓電陶瓷縱向伸縮振動(dòng)的諧振頻率主要取決于壓電陶瓷的長(zhǎng)度(即復(fù)合材料的厚度)，但是由于硅橡膠以及環(huán)氧樹脂作為負(fù)載存在，對(duì)壓電陶瓷的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但是這種影響很小。復(fù)合材料反諧振頻率的起伏是由兩種聚合物材料的總阻抗決定的。而諧振頻率的起伏是由反諧振以及機(jī)電耦合系數(shù)共同決定的。反諧振頻率的起伏在3.5％以內(nèi)，而諧振頻率的起伏在4.2％以內(nèi)。與此同時(shí)，隨著硅橡膠相體積百分比的增加，諧振頻率與反諧振頻率之差在逐漸增加，當(dāng)硅橡膠體積百分比vs為0時(shí)，諧振頻率之差為74khz，當(dāng)vs增大到0.5時(shí)，頻率差為85khz，當(dāng)vs增加為1時(shí)，諧振頻率之差進(jìn)一步增大到94khz。圖5(b)給出了復(fù)合材料的等效聲速隨硅橡膠體積百分比vs的變化曲線。等效聲速是根據(jù)公式(2)計(jì)算的，而復(fù)合材料厚度一直保持不變，所以聲速的變化規(guī)律與反諧振變化規(guī)律相同。圖5(c)給出了復(fù)合材料機(jī)電耦合系數(shù)隨硅橡膠體積百分比vs的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)硅橡膠體積百分比vs增加時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)也保持增加的趨勢(shì)。當(dāng)硅橡膠體積百分比vs為0時(shí)(即壓電陶瓷、環(huán)氧樹脂構(gòu)成的1-3型壓電復(fù)合材料)，機(jī)電耦合系數(shù)為0.61，當(dāng)vs增大到0.5時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)為0.63，當(dāng)vs增加為1時(shí)(即壓電陶瓷、硅橡膠構(gòu)成的1-3型壓電復(fù)合材料)，機(jī)電耦合系數(shù)進(jìn)一步增大到0.67。由于硅橡膠的增加都是由復(fù)合材料兩個(gè)電極面向中心位置增加，所以通過(guò)觀察圖形可以看出，當(dāng)硅橡膠體積百分比vs由0增加到0.2時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)保持不變，這說(shuō)明此時(shí)，環(huán)氧樹脂對(duì)壓電柱的負(fù)載作用起主要作用，少量硅橡膠的影響有限。而當(dāng)硅橡膠體積百分比vs由0.7增大到0.9的過(guò)程中，機(jī)電耦合系數(shù)維持在一個(gè)較高水平不變，這是由于此時(shí)環(huán)氧樹脂含量較低且都分布在振動(dòng)節(jié)面附近，此處壓電陶瓷的應(yīng)變較低，所以環(huán)氧樹脂含量變化對(duì)負(fù)載影響同樣較小。圖5(d)給出了復(fù)合材料的特性阻抗隨硅橡膠體積百分比vs的變化曲線。根據(jù)公式(4)可知，聲阻抗由密度與聲速?zèng)Q定，而聲速又由反諧振頻率決定，所以聲阻抗的變化與反諧振頻率的變化具有相同趨勢(shì)。3.改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的制備及性能測(cè)試本發(fā)明使用一種切割-澆鑄的方法來(lái)制備改進(jìn)聚合物v/f相的1-3型壓電復(fù)合材料，如圖6所示。具體的工藝流程如下：(1)使用精密外沿切割機(jī)(adt7124)，分別沿壓電陶瓷塊的長(zhǎng)寬兩個(gè)方向切割壓電陶瓷形成周期性排列的壓電陶瓷柱陣列。其中，壓電柱橫截面可以是正方形，也可以是長(zhǎng)方形、三角形、六邊形等形狀，邊長(zhǎng)可以在0.5mm到5mm范圍內(nèi)選擇，壓電柱的高度可以在0.5mm到20mm范圍內(nèi)選擇。壓電陶瓷塊的極化方向平行于陶瓷柱的高度方向。在切割過(guò)程中，壓電陶瓷塊在厚度上不透切，保留共同的基底，來(lái)達(dá)到定位的目的。(2)向陶瓷小柱中間澆注環(huán)氧樹脂，固化。灌注材料也可以選擇酚醛樹脂等一系列固化后有較好機(jī)械性能的聚合物(3)在上一次切割形成的刀槽上再次切割，形成新的切槽，切槽深度等于硅橡膠的設(shè)計(jì)深度。(4)在新的切槽中澆注硅橡膠?；蛘哌x擇類似的固化后楊氏模量較低的聚合物。(5)將樣品倒置，切割預(yù)留的壓電陶瓷基底，位置要與之前形成的切槽對(duì)齊，形成反面的切槽，切槽深度等于硅橡膠的設(shè)計(jì)深度。(6)向反面的切槽中澆注硅橡膠。(7)對(duì)壓電復(fù)合材料的上表面和下表面進(jìn)行打磨修整，并用丙酮清洗，然后使用磁控濺射的方法在表面上制備銀電極。本發(fā)明按照上述工藝流程實(shí)驗(yàn)制備了復(fù)合材料樣品，如圖7所示。利用阻抗分析儀對(duì)改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試，復(fù)合材料的機(jī)電性能如表3所示。表3.改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的性能參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了樣品性能隨硅橡膠占聚合物體積百分比的變化曲線，如圖8所示，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)作了對(duì)比。由圖8可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果吻合，而且實(shí)驗(yàn)值比仿真值略大，這可能是由于仿真計(jì)算時(shí)的理論參數(shù)與實(shí)驗(yàn)材料的實(shí)際參數(shù)不一致造成的。由圖8(a)可以看出，壓電復(fù)合材料的仿真諧振頻率fs實(shí)驗(yàn)值與仿真值的誤差小于4.9％，而反諧振頻率fp的誤差小于7.3％。聲速v的變化規(guī)律與反諧振頻率fp是一致的，如圖8(b)所示。由圖8(c)可以看出，復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)keff隨著硅橡膠體積百分比vs的增大而增大的，實(shí)驗(yàn)中復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)略大于仿真值，實(shí)驗(yàn)與仿真誤差不超過(guò)5.9％，當(dāng)硅橡膠體積百分比vs為0.6以上時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大，keff的最高值可以達(dá)到0.69，復(fù)合材料的厚度振動(dòng)模式較強(qiáng)，聚合物對(duì)壓電陶瓷柱的縱向伸縮振動(dòng)影響較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)大于聚合物/陶瓷1-3壓電復(fù)合材料。硅橡膠的體積分?jǐn)?shù)vs為0.6至0.8時(shí)即可以確保改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料的具有高機(jī)電耦合系數(shù)，又可以保留一定量的環(huán)氧樹脂中間層來(lái)起到橫向支撐復(fù)合材料的作用。由圖8(d)可以看出,復(fù)合材料的特性阻抗z隨著硅橡膠體積百分比vs的增加變化較小，其變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果吻合，誤差小于6％。表4對(duì)比了改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料和聚合物/陶瓷1-3壓電復(fù)合材料的機(jī)電耦合系數(shù)：表4.兩種壓電復(fù)合材料性能對(duì)比壓電復(fù)合材料機(jī)電耦合系數(shù)改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料0.69聚合物/陶瓷1-3壓電復(fù)合材料0.62從該表4中可以看出，改進(jìn)聚合物相的1-3型壓電復(fù)合材料具有更高的機(jī)電耦合系數(shù)，壓電復(fù)合材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率顯著提高。上述實(shí)施例中，聚合物中間層填充的是環(huán)氧樹脂，頂層和底層填充硅橡膠。此外也可以采用其它替代形式，也能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，比如：1)只在中間層填充環(huán)氧樹脂，頂層和底層不填充，即保持中空，如圖9所示，這種結(jié)構(gòu)也能鍍上電極。2)壓電陶瓷塊的中間層選擇不切透，保留薄薄的一層壓電陶瓷，如圖10所示。這種結(jié)構(gòu)中，中間的壓電陶瓷層可以起到與環(huán)氧樹脂類似的橫向支撐的作用。該壓電陶瓷層兩邊可以不填充任何材料，保持切槽中空，這種的結(jié)構(gòu)上表面和下表面同樣可以鍍電極；該壓電陶瓷層兩邊也可以采用與以上實(shí)施例類似的結(jié)構(gòu)，即填充楊氏模量較低的硅橡膠，如圖11所示。上述實(shí)施例中，“硅橡膠-環(huán)氧樹脂-硅橡膠”三層是截然分開的形式，在其它實(shí)施例中，也可以采用具有梯度楊氏模量的材料，即楊氏模量從中間向兩邊逐漸降低(漸變)的材料，只要滿足“中間材料楊氏模量較高，兩邊材料的楊氏模量較低”即可。具體材料也可以是其它材料，如環(huán)氧樹脂可以替換為酚醛樹脂，硅橡膠可以替換為楊氏模量較低的聚氨酯等。上述實(shí)施例中，頂層和底層硅橡膠的厚度相同，在其它實(shí)施例中厚度也可以不同，即為非對(duì)稱的夾心式結(jié)構(gòu)，也能取得某些特別的效果。本發(fā)明中復(fù)合材料的制備方法，也可以采用其它實(shí)現(xiàn)形式，如先正向切槽-灌注硅橡膠-反面切槽-灌注環(huán)氧樹脂-再切槽-灌注硅橡膠；又或者先正向切槽-灌注硅橡膠-反面切槽-灌注硅橡膠(中間不切透保留一部分壓電陶瓷)；又或者先正向切槽-灌注環(huán)氧樹脂-再正向切槽-再反向切槽-再兩面一起灌注硅橡膠。以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其進(jìn)行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求書所述為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)12