本發(fā)明屬于功能材料，特別涉及一種壓電復合材料。

背景技術：

1、超聲診斷具有安全、適應面廣、直觀、可重復檢查、對軟組織鑒別力強、便攜靈活及價廉等優(yōu)點，已經成為現(xiàn)代醫(yī)學影像診斷中的重要組成部分，廣泛應用于心臟科、婦產科、腹部掃描、腦中線檢測、顱內血流檢測、眼部掃描等。醫(yī)用超聲設備全球市場超過百億美元，我國也十分重視醫(yī)療器械的發(fā)展，超聲醫(yī)療設備市場獲得了前所未有的發(fā)展機遇。具有更高分辨率的高頻醫(yī)學超聲是新一代醫(yī)學超聲技術，以血管內超聲、眼科超聲、小動物成像等高頻超聲技術已經發(fā)展成為具有重大醫(yī)學應用價值的高頻醫(yī)學超聲技術，如血管內超聲成像技術，在外周血管病診療和冠心病診療領域發(fā)揮重要作用。

2、超聲換能器作為超聲診療系統(tǒng)的核心組成部件，主要采用壓電材料作為功能元件，血管內和眼科等高頻超聲成像多采用10～80mhz高頻超聲換能器，以期得到100微米量級以下的分辨率，要求更高工作頻率、同時還需要兼具大帶寬、高靈敏度等要求的醫(yī)用超聲換能器，其技術核心和難點就在于制備出厚度在微米尺度(通常在30～100微米之間)的高機電耦合系數(shù)(決定了超聲換能器的帶寬和分辨率)、高工作頻率的壓電材料，目前引起學術和產業(yè)領域關注的是1-3型壓電復合材料，因為壓電陶瓷或單晶與環(huán)氧樹脂等高分子聚合物的1-3型復合壓電材料的較低的聲阻抗容易實現(xiàn)與人體組織匹配，同時高頻超聲換能器通過降低元件厚度以提高諧振和反諧振頻率，較薄的壓電復合材料仍然能夠具有高機電耦合系數(shù)，實現(xiàn)超聲換能器的大帶寬，對于提高超聲換能器軸向分辨率和超聲成像的分辨率具有重要意義

3、基于鈮鎂鈦酸鉛pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3(pmn-pt或pmnt)為代表的含鉛弛豫鐵電單晶壓電晶體的高頻壓電復合材料，如pmnt單晶/環(huán)氧樹脂1-3型壓電復合材料，其耦合系數(shù)kt高于71％，甚至達到80％，采用其制備的高頻超聲換能器，與鋯鈦酸鉛pb(zrti)o3(pzt)壓電陶瓷高頻超聲換能器比較，靈敏度提升30％，帶寬增加100％，能夠大幅提升血管內超聲成像的圖像分辨率，成為國際醫(yī)用超聲換能器的前沿熱點和關鍵技術，國內外醫(yī)用超聲設備的公司都在研發(fā)相關復合材料和換能器，技術競爭激烈。

4、但無論是廣泛應用的鋯鈦酸鉛(pzt)壓電陶瓷、還是新型的高性能鈮鎂鈦酸鉛(pmnt)弛豫鐵電單晶，都是氧化鉛含量超過60wt％的壓電材料，含鉛材料在制備、使用、回收和廢棄過程中，會對人類及生態(tài)環(huán)境帶來鉛污染，隨著全球改善生態(tài)環(huán)境要求的持續(xù)增強和對鉛污染更嚴格的控制措施，含鉛壓電材料、器件及其電子設備將可能在全球范圍內逐步受到生產和使用的限制。由于直接針對人體使用，比如血管內超聲將微小的高頻超聲換能器放入血管內，醫(yī)學超聲換能器對于壓電材料的無鉛化要求的急迫性無疑要超過工業(yè)領域等其他應用場合，因此采用環(huán)境友好的無鉛壓電材料代替含鉛壓電材料已經成為醫(yī)學超聲領域的學術和產業(yè)界共同關注的方向。

5、同時，制備1-3型壓電復合材料是一個較復雜的過程，一個主要的困難在于高頻壓電復合材料的結構設計，由于存在橫向振動模式等干擾模式與厚度/縱向長度伸縮振動模式之間的串擾，復合材料的結構設計至關重要，否則復合材料的振動模式不純，將極大程度上影響超聲換能器的性能及其使用效果。

6、專利cn202111461560給出了一種基于鈦酸鉍鈉-鈦酸鋇壓電晶體的無鉛壓電復合材料，其機電耦合系數(shù)達到了70％，但與基于pmn-pt等含鉛壓電復合材料的高機電耦合系數(shù)(達到80％)相比仍有較大差距。

7、迄今為止，本領域尚未開發(fā)出一種既能避免、克服含鉛材料的污染缺點，同時又能夠具有與含鉛單晶壓電復合材料具有同樣優(yōu)越性能的高工作頻率、高機電耦合系數(shù)的壓電復合材料及其超聲換能器。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提出了一種新穎的高頻、高性能、無鉛壓電單晶復合材料及其復合結構，從而解決了現(xiàn)有技術中存在的問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種壓電復合材料，包括壓電相材料和非壓電相材料，所述壓電相材料為基于(1-x)na0.5bi0.5tio3-xbatio3的無鉛壓電晶體的nbbt單晶；所述非壓電相材料為環(huán)氧樹脂；所述無鉛壓電晶體的nbbt單晶為均勻切割成網格狀晶柱的四棱柱，所述環(huán)氧樹脂填充在其網格的切割槽中；所述壓電復合材料的高度為85～95μm，每個所述晶柱的邊長為45～55μm，所述切割槽的寬度為18～22μm；其工作頻率為10～20mhz。

3、進一步的，所述nbbt晶體的組成中x為摩爾分數(shù)，取值范圍0.04≤x≤0.06；其晶體學方向為[001]。

4、本發(fā)明的有益效果：

5、(1)本發(fā)明的nbbt壓電晶體為非鉛壓電材料，對人體和環(huán)境友好。

6、(2)本發(fā)明的nbbt/epoxy?1-3型壓電復合材料在10～20mhz工作頻率、具有高于80％的機電耦合系數(shù)，超過以前專利所申請的無鉛壓電晶體復合材料(最高70％的機電耦合系數(shù))，達到了基于pmn-pt等含鉛壓電晶體的壓電復合材料的性能水平(80％左右的機電耦合系數(shù))，可以代替目前使用的含鉛的壓電復合材料而廣泛使用。

7、(3)本發(fā)明的復合結構，保證了nbbt/epoxy?1-3型壓電復合材料在高于10～20mhz的工作頻率下具有較純的厚度伸縮模式，無雜模干擾。

8、(4)本發(fā)明的壓電復合材料，可以利用傳統(tǒng)的切割-填充法制備，易于制備，成本不高。

9、(5)本發(fā)明的壓電復合材料在高頻醫(yī)學超聲領域具有重要的應用價值，而且在半導體高頻超聲無損檢測等其他高頻超聲領域也具有廣泛的應用價值。

技術特征：

1.一種壓電復合材料，其特征在于：包括壓電相材料和非壓電相材料，所述壓電相材料為基于(1-x)na0.5bi0.5tio3-xbatio3的無鉛壓電晶體的nbbt單晶；所述非壓電相材料為環(huán)氧樹脂；所述無鉛壓電晶體的nbbt單晶為均勻切割成網格狀晶柱的四棱柱，所述環(huán)氧樹脂填充在其網格的切割槽中；所述壓電復合材料的高度為85～95μm，每個所述晶柱的邊長為45～55μm，所述切割槽的寬度為18～22μm；其工作頻率為10～20mhz。

2.根據(jù)權利要求1所述的壓電復合材料，其特征在于：所述nbbt晶體的組成中x為摩爾分數(shù)，取值范圍0.04≤x≤0.06；其晶體學方向為[001]。

技術總結
本發(fā)明公開了一種壓電復合材料，屬于功能材料技術領域。該壓電復合材料由基于(1?x)Na0.5Bi0.5TiO3?xBaTiO3的無鉛壓電晶體的壓電相材料和基于環(huán)氧樹脂的非壓電相材料組成；NBBT單晶為均勻切割成網格狀晶柱的四棱柱，環(huán)氧樹脂填充在其網格的切割槽中；所述壓電復合材料的高度為85～95μm，每個所述晶柱的邊長為45～55μm，所述切割槽的寬度為18～22μm，其工作頻率為10～20MHz。本發(fā)明的壓電復合材料具有高于80％的機電耦合系數(shù)，達到了基于PMN?PT等含鉛壓電晶體的壓電復合材料的性能水平，可以代替目前使用的含鉛的壓電復合材料而廣泛使用，且安全環(huán)保。

技術研發(fā)人員：趙祥永,劉亞琦,周迅,岳晴雯,張巧珍,王飛飛,唐艷學
受保護的技術使用者：上海師范大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9