【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及复合材料，具体涉及一种1-3型高温压电陶瓷复合材料、制备方法及其应用。
技术介绍
1、一些特殊领域对于在极端高温环境下工作的压电材料的需求越来越迫切，例如航空航天、锅炉管道、石油测井等领域，随石油勘探向深地和超深地发掘，声波测井技术向更高层次发展，温度由原先的150℃上升至200～300℃左右。声波换能器作为钻声波测井仪器的核心部件，工作温度的要求也已经达到300℃，性能提升最关键的核心元件是高温压电材料，也是制约声波测井技术向更高层次发展的重要瓶颈。因此工业领域需要工作温度高达300℃的超声换能器。
2、商用单片纯压电陶瓷换能器由于低厚度机电耦合系数，灵敏度低、分辨率低，且信噪比差，且纯压电陶瓷声阻抗高，不易匹配。
3、对于测井应用，要求压电换能器宽频带宽度、高发射电压响应级和发射声功率等，最重要的是高温环境下性能的稳定性。因此，探索更高压电性能，高机电耦合性能、宽带宽的1-3型高温压电复合材料具有重要意义。1-3型压电复合材料是由一维连通的压电陶瓷相与平行排列于三维连通的聚合物相组成。目前已实现商业化应用的改性高温pzt压电材料居里温度在360℃左右，最高使用温度不超过200℃，该材料已不能满足声波测井所用压电材料的实际使用需求。聚合物相为高玻璃化转变温度的树脂，一般最高耐温200℃，且温度升高，聚合物的粘稠度增大，因此聚合物相很难做到耐高温300℃且固化后无气孔。
4、综上所述，上述现有技术存在以下的缺点：1)压电相大多采用pzt压电陶瓷，目前已实现商业化应用的pzt压电材
5、公告号为[cn104103751b]的专利申请，公开了1-3型压电复合材料及其制备方法，所述压电复合材料中的一维陶瓷相由具有正谐振频率温度系数的锆钛酸铅陶瓷组成，三维聚合物相由高玻璃化转变温度的树脂组成，所述锆钛酸铅陶瓷在室温至200℃的温度范围内的谐振频率温度系数为1.0～4.0×10～4/℃,所述树脂的玻璃化温度为150℃以上，所述压电复合材料中锆钛酸铅陶瓷所占的体积比为40～80％。由于聚合物相采用的高温树脂玻璃化温度低，压电相采用的锆钛酸铅的居里温度低，因此具有该1-3复合材料无法在300℃高温下使用的缺点。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种1-3型高温压电陶瓷复合材料、制备方法及其应用，通过将铌掺钪酸铋-钛酸铅基、钨掺钪酸铋-钛酸铅基、锑掺钪酸铋-钛酸铅基、铌锑共掺钪酸铋-钛酸铅基或铌钨共掺钪酸铋-钛酸铅基中的一种作为高温压电陶瓷相，使用切割-填充法得到1-3型高温压电陶瓷复合材料，因此具有优异的压电性能(d33～470pc/n)和机电耦合系数(kt～0.6)，具有温度高且温度稳定性好、压电性能高、不易发生变形、可控性高、性能稳定、能够大批量生产的特点。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，由一维连通的高温压电陶瓷相3与平行排列于三维连通的高温环氧树脂聚合物相4组成；其特征在于，所述高温压电陶瓷相3为铌掺钪酸铋-钛酸铅基、钨掺钪酸铋-钛酸铅基、锑掺钪酸铋-钛酸铅基、铌锑共掺钪酸铋-钛酸铅基或铌钨共掺钪酸铋-钛酸铅基中的一种。
4、所述的高温环氧树脂聚合物相4玻璃化温度以及热分解温度为250℃以上。
5、所述的高温压电陶瓷相3的体积分数为30％～70％，高温环氧树脂聚合物相4的体积分数为70％～30％。
6、所述的所述的高温压电陶瓷相3的体积分数优选56％，高温环氧树脂聚合物相4体积分数优选44％。
7、一种1-3型高温压电陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
8、步骤1，将高温压电陶瓷块体抛光、清洁，在上下表面涂覆厚度为0.01～0.03mm的常温银浆并极化；
9、步骤2，沿第一方向将步骤1得到的含银浆的高温压电陶瓷块体切成陶瓷柱阵列，并保留约为0.2～0.5mm厚度的高温压电陶瓷作为基底1，得到陶瓷柱阵列2；
10、步骤3，沿第二方向切割步骤2得到的陶瓷柱阵列2，超声清洗并干燥，得到若干相互独立的压电陶瓷柱阵列；所述的切割的第二方向与第一方向在同一平面上，且第二方向与第一方向垂直；
11、步骤4，将高温环氧树脂胶体注入到步骤3得到的压电陶瓷柱阵列，填充切割缝隙，静置20～24小时后，真空除气泡后固化，得到高温压电陶瓷复合材料；
12、步骤5，打磨步骤4制备高温压电陶瓷复合材料，磨去上下表面多余的高温环氧树脂及陶瓷基底1，露出陶瓷柱；
13、步骤6，将步骤5制备的高温压电陶瓷复合材料超声清洗并干燥，采用旋转磁控溅射方法在织构压电陶瓷复合材料表面制备导电层，得到1-3型高温压电陶瓷复合材料。
14、所述步骤1中的高温压电陶瓷块体，为通过固相法制备的具有高居里温度和高退极化温度的高温压电陶瓷，其压电常数高达550pc/n，相对介电常数为1900-2100，居里温度高于440℃。
15、所述步骤5中，陶瓷柱宽度与步骤2中沿第一方向切割，切割缝隙宽度之和为复合材料的横向周期尺寸，打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度与横向周期尺寸比值为2.8-3.5。
16、所述步骤3中的切割深度与步骤2的切割深度相同，切割深度高于最终所需1-3型高温压电陶瓷复合材料0.3～0.6mm。
17、一种1-3型高温压电陶瓷复合材料的应用，用于测井仪器中声波换能器的生产制造。
18、一种测井仪器中声波换能器，包括有所述的任意一种1-3型高温压电陶瓷复合材料。
19、相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：
20、1、与现有技术相比，本专利技术采用铌掺钪酸铋-钛酸铅基、钨掺钪酸铋-钛酸铅基、锑掺钪酸铋-钛酸铅基、铌锑共掺钪酸铋-钛酸铅基或铌钨共掺钪酸铋-钛酸铅基中的一种作为陶瓷相，制备1-3型高温压电陶瓷复合材料，因此具有高压电性能能(d33～550pc/n)和高居里温度高于440℃，高机电转换效率；通过设计打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度与横向周期尺寸比值为2.8～3.5，提升厚度机电耦合系数至纵向机电耦合系数k33。
21、2、本专利技术通过使用切割-填充法得到1-3型高温压电陶瓷复合材料，有效提升温度稳定性，机电耦合性能和能量转换效率，声阻抗下降，带宽增大，使用温度高达300℃，应用于随钻声波换能器等器件时具有优势，克服了传统普通陶瓷复合材料性能低、温度稳定性差难以在200℃以上使用，一致性差等缺点。
22、3、本专利技术制备方法采用切割填充法，工序简单，切割参数可精准控制，采用高温环氧树脂胶，工艺稳定性高，成品重复性好，可大尺寸大批量生产。
23、综上所述，本专利技术通过将铌掺钪酸本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，由一维连通的高温压电陶瓷相(3)与平行排列于三维连通的高温环氧树脂聚合物相(4)组成；其特征在于，所述高温压电陶瓷相(3)为铌掺钪酸铋-钛酸铅基、钨掺钪酸铋-钛酸铅基、锑掺钪酸铋-钛酸铅基、铌锑共掺钪酸铋-钛酸铅基或铌钨共掺钪酸铋-钛酸铅基中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高温环氧树脂聚合物相(4)玻璃化温度以及热分解温度为250℃以上。
3.根据权利要求1所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高温压电陶瓷相(3)的体积分数为30％～70％，高温环氧树脂聚合物相(4)的体积分数为70％～30％。
4.根据权利要求4所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高温压电陶瓷相(3)的体积分数优选56％，高温环氧树脂聚合物相(4)的体积分数优选44％。
5.基于权利要求1至4所述的任意一种1-3型高温压电陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种1-3型高温压电陶瓷
7.根据权利要求5所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，陶瓷柱宽度与步骤2中沿第一方向切割，切割缝隙宽度之和为复合材料的横向周期尺寸，打磨后的陶瓷复合材料的最终厚度与横向周期尺寸比值为2.8-3.5。
8.根据权利要求5所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的切割深度与步骤2的切割深度相同，切割深度高于最终所需1-3型高温压电陶瓷复合材料0.3～0.6mm。
9.一种1-3型高温压电陶瓷复合材料的应用，其特征在于，用于测井仪器中声波换能器的生产制造。
10.一种测井仪器中声波换能器，其特征在于，包括有权利要求1至8所述的任意一种1-3型高温压电陶瓷复合材料。
...【技术特征摘要】
1.一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，由一维连通的高温压电陶瓷相(3)与平行排列于三维连通的高温环氧树脂聚合物相(4)组成；其特征在于，所述高温压电陶瓷相(3)为铌掺钪酸铋-钛酸铅基、钨掺钪酸铋-钛酸铅基、锑掺钪酸铋-钛酸铅基、铌锑共掺钪酸铋-钛酸铅基或铌钨共掺钪酸铋-钛酸铅基中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高温环氧树脂聚合物相(4)玻璃化温度以及热分解温度为250℃以上。
3.根据权利要求1所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高温压电陶瓷相(3)的体积分数为30％～70％，高温环氧树脂聚合物相(4)的体积分数为70％～30％。
4.根据权利要求4所述的一种1-3型高温压电陶瓷复合材料，其特征在于，所述的高温压电陶瓷相(3)的体积分数优选56％，高温环氧树脂聚合物相(4)的体积分数优选44％。
5.基于权利要求1至4所述的任意一种1-3型高温压电陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6...
【专利技术属性】
技术研发人员：严永科，胡理情，徐卓，任晓丹，王奕轲，金若其，邱晨煜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。