压电复合材料是指由压电陶瓷材料和聚合物材料按一定的连通方式组合在一起而构成的功能材料。由于压电复合材料同时具备压电相和聚合物相的优点而被广泛的研究,其在水听器、医学超声探头、工业无损探伤中都有着重要的应用。在诸多类型的压电复合材料之中,研究地最深、应用最广的是1-3型压电复合材料。1-3型压电复合材料是指由一维连通的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的聚合物中而构成的两相压电复合材料。1-3型压电复合材料具有低声阻抗、小介电常数、高机电耦合系数、柔韧性好等诸多优点,已经成为压电超声换能器的理想材料。在过去的几十年中,虽然关于1-3复合材料的研究已经有很多,但是关于其温度稳定性的研究却十分有限。实际应用过程中要求相关器件具有良好的温度稳定性,所以在实用方面我们期望研制出以良好稳定性为特征的超声换能器使用的高性能1-3型压电复合材料。本论文开展了关于1-3型陶瓷/聚合物压电复合材料的制备和物性的研究,着重探讨了复合材料的温度稳定性。PZT压电陶瓷因具有良好的压电性能和介电性质,一直以来在压电陶瓷领域被广泛应用。论文主要选择了 PZT基陶瓷作为1-3复合材料的陶瓷相,分别选取了具有较高的压电系数的PZT5H、非常低的介电损耗的PZT43和极好温度稳定性的PZT51。此外,由于KNN基陶瓷被认为是最具发展前景的无铅压电材料而近年来广受关注,论文也进行了制备1-3型KNN基陶瓷/聚合物复合材料的初步尝试。对于1-3复合材料的聚合物相,论文分别选择了两种不同型号的环氧树脂(即具有较高粘度的E51和具有低粘度的EpoThinTM2);还分别尝试了两种热可塑性树脂(分别为PVDF树脂和PMMA树脂)。论文设计了一种改进的切割填充法,以此方法分别利用金刚石线切割机和精密划片机进行陶瓷阵列的切割加工,制备了一系列性能优良的1-3型PZT/Epoxy压电复合材料,尝试制备了 1-3型KNN/Epoxy无铅压电复合材料,探讨了它们的物性和温度稳定性;使用冷冻研磨粉-热压填充法制备了 1-3型PZT5H/PVDF和PZT5H/PMMA压电复合材料,研究了其温度稳定性。具体研究内容如下:一、开展了关于1-3型陶瓷/聚合物压电复合材料的制备工艺的研究,主要探讨了制备1-3压电复合材料的工艺。首先,发展一种改进的切割-填充方法。该方法利用环氧树脂包裹陶瓷块后进行分步切割和填充,有效地解决了切割过程当中陶瓷柱易倒塌的问题。其次,提出了一种利用热可塑性树脂作为聚合物相、制备1-3压电复合材料的冷冻研磨粉-热压填充方法。利用此方法时,将聚合物颗粒在液氮冷却环境下研磨成细粉,把聚合物细粉填入切割好的陶瓷阵列槽中,在加热熔融的状态下施加适量的压力使融化的树脂填充满陶瓷阵列槽,最终冷却后得到复合材料。这种冷冻研磨粉-热压填充方法扩大了聚合物的选择范围。二、使用E51环氧树脂作为聚合物相、PZT5H作为陶瓷相,利用改进的切割-填充法制备了 1-3型PZT5H/E51-Epoxy压电复合材料,研究了陶瓷相的体积比(CVR)和陶瓷柱纵宽比对1-3型压电复合材料的物性的影响。测试结果如下:相比于PZT5H陶瓷,复合材料的厚度机电耦合系数kt增大,平面机电耦合系数kp减小。压电常数d33、复合材料的声阻抗Z和品质因子Qm都随CVR的增加而增大。1-3型压电复合材料的Kt随着样品厚度的减薄呈现先增加后减少的趋势,Kt在陶瓷柱纵宽比约为3时取得最大值。CVR为25%的1-3型PZT5H/E51-Epoxy压电复合材料取得最佳的压电超声换能的相关物性分别为d33=405 pC/N、kt=0.71、Z=9.9Mrayl、Qm=5.7、介电常数 εr=656 和介电损耗 tanδ=0.04。使用Smith复合理论模型,计算研究了 1-3型PZT5H/E51-Epoxy压电复合材料的压电超声换能关联的诸种物性与陶瓷体积含量的关系。结果表明,实验测量值与理论计算值有比较好的吻合。三、使用PZT43和PZT51作为陶瓷相、E51环氧树脂作为聚合物相,使用切割-填充法分别制备了 1-3型PZT43/E51-Epoxy和PZT51/E51-Epoxy压电复合材料,研究了 CVR和陶瓷柱纵宽比对1-3型压电复合材料的物性的影响。实验首先制备了 1-3型PZT43/E51-Epoxy压电复合材料,研究发现复合材料的介电常数εr、声阻抗Z和压电常数d33都随陶瓷相的体积比的增加而增大。与PZT43陶瓷相比,复合材料的Kt提高、Kp减小。机械品质因子Qm从PZT43陶瓷的600降低到了 4.2,可以用于生产宽带窄脉冲的换能器。制备的压电复合材料的纵向机电耦合系数kt在-50℃到150℃的测试区间内具有较好的温度稳定性。kt随复合材料的厚度的减薄呈现先增加后减少的趋势,在陶瓷柱纵宽比约为3时取得最大值。通过优化CVR和陶瓷柱纵宽比,获得最优的1-3型PZT43/E51-Epoxy压电复合材料压电超声换能关联的诸种物性分别为d33=282 pC/N、kt=0.67、Z=10.8 Mrayl、Qm=4.2 和 εr=415、tanδ=0.03。基于1-3型 PZT43/E51-Epoxy 的研究经验,作者制备了 1-3型PZT51/E51-Epoxy压电复合材料,其压电超声换能关联的诸种物性分别为d33=417 pC/N、kt=0.67、Z=9.5 Mrayl、Qm=4.4 和εr=415、tanδ=0.04,并且该复合材料呈现较好的温度稳定性。使用Smith复合理论模型,研究了 1-3型PZT43(PZT51)/Epoxy压电复合材料的压电超声换能关联的诸种物性与陶瓷体积含量的关系。结果表明,实验测量值与理论计算值有较好吻合。四、使用EpoThinTM 2型低粘度环氧树脂作为聚合物相、PZT5H作为陶瓷相,使用切割-填充法制备了 1-3型PZT5H/Epothin-Epoxy压电复合材料,系统研究了陶瓷相的体积比和陶瓷柱纵宽比对1-3型PZT5H/Epothin-Epoxy压电复合材料的物性的影响。测试结果如下:与PZT5H陶瓷相比,1-3型复合材料的厚度机电耦合系数kt值增大,平面机电耦合系数kp值降低。复合材料的介电常数随CVR的增加线性增加,压电常数d33、声阻抗Z和机械品质因子Qm都随陶瓷相的体积比的增加而增大。kt随着复合材料样品的厚度的减薄呈现先增加后减少的趋势,当陶瓷柱纵宽比约为3时取得最大值。通过优化CVR和陶瓷柱纵宽比,获得最优的1-3型PZT5H/Epothin-Epoxy压电复合材料的压电超声换能关联的诸种物性分别为d33=515 pC/N、kt=0.73、Z=9.8 Mray1、Qm=3.7。在-50℃～150℃的测试区间内,1-3型压电复合材料的kt具有较好的温度稳定性。五、使用EpoThinTM 2型低粘度环氧树脂作为聚合物相、PZT43和PZT51作为陶瓷相,制备了 1-3型压电复合材料。测试结果如下:(1)PZT43作为陶瓷相时,制备的1-3型复合材料与陶瓷相比,kt值增大、kp值降低。复合材料的介电常数εr、压电常数d33、声阻抗Z和机械品质因子Qm都随陶瓷相的体积比的增加而增大。kt随着样品的厚度的减薄呈现先增加后减小的趋势,当陶瓷柱纵横比约为3时取得最大值。通过优化CVR和陶瓷柱纵宽比,获得最佳的1-3型PZT43/Epothin-Epoxy压电复合材料的压电超声换能关联的诸种物性分别为d33=305pC/N、kt=0.70、Z=9.7 Mrayl 和 Qm=7.3。同时,在-50℃～150℃ 的温度区间内,复合材料的厚度机电耦合系数kt具有较好的温度稳定性。(2)PZT51作为陶瓷相时,制备出了性能良好的1-3型PZT51/Epothin-Epoxy压电复合材料。该复合材料具有压电超声换能关联的诸种物性分别为d33=464 pC/N、kt=0.68、Z=9.5 Mrayl和Qm=4.4。同时,实验制备的压电复合材料的厚度机电耦合系数kt在-50℃～150℃的测试区间内具有较好的温度稳定性。六、使用本课题组制备的压电系数d33为515 pC/N的KNN基陶瓷作为陶瓷相、EpoThinTM 2型低粘度环氧树脂作为聚合物相,利用切割-填充法制备了1-3型KNNS/Epothin-Epoxy无铅压电复合材料。制备的陶瓷柱宽为175μm、CVR为25%的1-3型KNNS/Epothin-Epoxy复合材料在陶瓷柱的纵宽比为3时室温下呈现压电超声换能关联的诸种物性分别为d33=310 pC/N、kt=0.63、Z=11.3 Mrayl、Qm=4.5、εr=588和tanδ=0.05。同时发现,该复合材料的kt在-30℃至40℃之间很稳定,但随着温度的进一步升高迅速降低,因而在-50℃～150℃的宽温区间温度稳定性不很好。七、使用了冷冻研磨微粉-热压填充法分别制备了 1-3型PZT5H/PMMA和PZT5H/PVDF压电复合材料,着重考察了厚度机电耦合系数kt的温度稳定性。实验发现,1-3型PZT5H/PVDF压电复合材料kt的温度稳定性很差,而1-3型PZT5H/PMMA压电复合材料的kt值在温度区间-50℃-150℃的范围内具有非常好的温度稳定性。八、研究发现,1-3型压电复合材料的压电性能的温度稳定性主要受陶瓷的压电性能的温度稳定性的影响。