微納米壓電復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、1-3壓電復(fù)合材料兼具壓電陶瓷和聚合物兩者的優(yōu)點，具有壓電系數(shù)高、介電與機械損耗低、密度低、聲阻抗低的特點。與0-3壓電復(fù)合材料相比，1-3壓電復(fù)合材料具有很強的各向異性，其最終性能與一維壓電相在聚合物基體中的排布有重要聯(lián)系。當壓電相的軸向與電極方向（應(yīng)力方向）一致時，壓電相的應(yīng)變達到最大，此時復(fù)合材料在壓電相排布方向的性能遠超其他方向。因此，1-3壓電復(fù)合材料在超聲醫(yī)學和國防等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　近年來，光聲成像技

2、術(shù)在內(nèi)窺鏡方面的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注。作為光聲醫(yī)學成像的核心器件，壓電微機械超聲換能器（piezoelectric micromachined ultrasonic transducers，pMUTs）開始受到越來越多的重視。目前pMUTs的研制主要采用壓電薄膜，與生物組織的聲阻抗匹配性差。雖然在體外應(yīng)用可以采用涂敷一層油膏來解決阻抗匹配問題，但對于內(nèi)窺鏡來說，這種解決方案顯然行不通。因此，采用壓電復(fù)合材料來研制光聲內(nèi)窺鏡用的pMUTs

3、是一項重要的技術(shù)要求。并且，由于pMUTs屬于微小型化器件，有望實現(xiàn)陣列化的內(nèi)窺鏡光聲成像。因此，實現(xiàn)光聲內(nèi)窺鏡的陣列化成像應(yīng)用，特別是實現(xiàn) pMUTs與Si基信號處理電路一體化集成，是pMUTs應(yīng)用于光聲內(nèi)窺鏡的另一項重要技術(shù)要求。由此，本文圍繞1-3壓電復(fù)合材料pMUTs與IC的集成，開展了以下幾個方面的探索研究：
　　1、開展了AlN薄膜的中頻濺射制備研究，對中頻濺射制備 AlN薄膜織構(gòu)特性的控制機制進行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明

4、：采用富氮過渡層進行兩步沉積，可以顯著提高AlN薄膜織構(gòu)程度，所制備的AlN薄膜不僅內(nèi)應(yīng)力小，而且壓電系數(shù)高，d33系數(shù)達到3.4 pC/N，為開展AlN壓電薄膜pMUTs研制奠定了基礎(chǔ)。
　　2、通過光刻-填充方法，制備了具有有序陣列的AlN微米柱/聚合物1-3壓電復(fù)合薄膜，研究了壓電相體積分數(shù)、聚合物種類對復(fù)合薄膜壓電和介電性能的影響。制備出的AlN/PVDF1-3壓電復(fù)合薄膜性能良好，壓電系數(shù)約為6 pC/N，為開展與Si基

5、IC一體化集成的pMUTs研制奠定了材料基礎(chǔ)。
　　3、為了進一步提高壓電薄膜的壓電系數(shù)，增加 pMUTs器件的信號強度，本論文開展了PMN-PT1-3復(fù)合材料應(yīng)用于pMUTs的技術(shù)方法探索，為了與Si基IC工藝兼容，本論文采用了水熱制備 PMN-PT納米線。首先，本論文開展了工藝參數(shù)、表面活性劑等對PMN-PT納米線生長過程的影響規(guī)律研究，在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，制備出了具有準同型相界的PMN-PT納米線，并對PMN-PT納米線的結(jié)

6、構(gòu)和電學性能進行了表征。測試結(jié)果顯示：PMN-PT納米線為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的單晶，生長方向為[100]晶向，PMN-PT納米線的壓電系數(shù)約為409±4 pm/V，矯頑電場為2.8 kV/mm，剩余極化強度17.2μC/cm2，自發(fā)極化強度31.3μC/cm2，擊穿電場強度約為2.8×106 V/m。
　　4、在PMN-PT納米線制備工藝研究基礎(chǔ)上，論文開展了PMN-PT/PVDF1-3壓電復(fù)合材料的性能及其變化規(guī)律研究。以PMN-PT納

7、米線為壓電相，采用共混-流延方法制備了PMN-PT/PVDF1-3壓電復(fù)合材料，在開展了壓電相含量對復(fù)合材料力學和電學性能的影響研究的基礎(chǔ)上，重點考察了壓電相形態(tài)、聚合物基體和極化條件對壓電復(fù)合材料輸出特性的影響，研究結(jié)果表明：PMN-PT/PVDF1-3壓電復(fù)合材料具有良好的輸出特性，并且，通過極化電場強度、極化溫度和極化時間的改變，可以提高 PMN-PT納米線電疇的轉(zhuǎn)向重排，從而提高復(fù)合材料的壓電輸出特性。
　　5、為了演示P

8、MN-PT/PVDF1-3壓電復(fù)合材料在超聲換能方面的應(yīng)用潛力，本論文將所研制的PMN-PT/PVDF1-3壓電復(fù)合材料研制成為柔性發(fā)電機，所研制的PMN-PT/PVDF發(fā)電機的輸出電壓達到20 V，輸出電流達到60 nA，電流密度為20 nA/cm2，且輸出電壓與應(yīng)變呈近似線性關(guān)系，從而顯示了其良好超聲換能特性。在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)這種壓電復(fù)合材料與Si基IC的一體化集成，論文還開展了PMN-PT納米線有序陣列的制備研究，初步探索出了