CN108339729B - 基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合纳米薄膜及换能器领域，具体是一种基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法。解决了传统铅基超声换能器污染环境、输出频带较窄等技术问题。本发明将压电纳米无铅材料，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和石墨烯材料结合起来，制备出颗粒分布均一的柔性无铅压电薄膜超声换能器。本发明不仅具有PDMS的柔韧性，同时具有比传统单一无铅压电超声换能器频带宽的性能，在制备无铅复合薄膜超声换能器方面具有很好的应用前景。本发明所提出的无铅复合压电薄膜超声换能器制备过程简单，周期短，成本低廉，无污染，柔韧性好；并且掺杂石墨烯后超声换能器压电性能增强，输出频带宽。
Description
技术领域
本发明属于复合纳米薄膜及换能器领域，具体是一种基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法。
背景技术
光声成像技术是近年发展起来的一种典型的非侵入、无辐射、高精度成像技术，其在关节炎和乳腺癌等疾病早期诊断领域具有广阔的应用前景。其中，超声换能器作为超声信号探测装置，是医学光声成像***中的关键部件。因此，高频宽带超声换能器引起了国内外研究者的广泛关注。Manh课题组等人设计了一个柔性的PZT基超声换能器，其中心频率为5 MHz，性能稳定。Zhu课题组等人提出了一种PMN-PT基的内窥镜超声传感器阵列，其中心频率为5 MHz，-6dB带宽可达到88%。目前所研究的超声换能器的频率和带宽等性能都良好稳定。然而，这些超声换能器所采用的都是含铅材料，而铅是一种严重的神经毒素，一旦被人体吸入便不易排出，对身体的危害极大。尤其在医用超声换能器材料的选择上，应使用无铅压电材料。
近几年，环境友好型无铅高频宽带超声换能器引起了国内外研究者的广泛关注。专利号为CN 103240220 A的中国专利提出了一种基于AlN的无铅压电式超声换能器，换能器性能稳定，封装方便。Zhou等人设计了一种基于ZnO压电薄膜的自聚焦超声换能器，中心频率为200 MHz，带宽大约28%。然而，上述无铅压电薄膜超声换能器在性能方面都远远不及铅基换能器的性能。因此，设计一种基于无铅压电复合材料的高效率、宽频带超声换能器具有非常重要的研究意义和实用价值。
发明内容
本发明针对传统铅基超声换能器污染环境、输出频带较窄等问题，提出了一种基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的设计与实现方法。
本发明将压电纳米无铅材料，聚二甲基硅氧烷 （PDMS）和石墨烯材料结合起来，制备出颗粒分布均一的柔性无铅压电薄膜，进一步加工成超声换能器。具体制备步骤如下：
基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法，（1）将压电纳米无铅材料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）按质量比0.1~7:10混合，然后再加入石墨烯材料，所述聚二甲基硅氧烷（PDMS）与石墨烯材料的质量比为1~6:200；对上述混合物搅拌1-1.5小时，获得均匀分散的石墨烯纳米压电复合溶剂；（2）将硅片吸在甩胶机上，用滴管将所得纳米压电复合溶剂滴在硅片上，甩胶机转速设置500-2000 r/min，旋转30-40 s后将甩好薄膜的硅片取下放在培养皿中，再将培养皿放在真空干燥箱中，抽真空后取出培养皿，将硅片上的薄膜揭下来，获得均匀的石墨烯复合压电薄膜；（3）对石墨烯纳米复合压电薄膜施加2000-3000V的高压极化15-20个小时，使压电薄膜中颗粒的电畴沿电场方向整齐排列，得到具有最佳压电性能的石墨烯纳米复合换能器；（4）将纳米复合换能器两侧分别焊接上电极，并用PET进行封装，即可得到基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器。
本发明不仅具有PDMS的柔韧性，同时具有比传统单一无铅压电超声换能器频带宽的性能，在制备无铅复合薄膜超声换能器方面具有很好的应用前景。本发明所提出的无铅压电复合薄膜超声换能器制备过程简单，周期短，成本低廉，无污染，柔韧性好；并且掺杂石墨烯后超声换能器压电性能增强，输出频带宽（-6dB）。
附图说明
图1 是石墨烯掺杂的纳米复合薄膜超声换能器的制备过程。
图2 是超声换能器测试装置。
图3 是掺石墨烯前后超声换能器输出电压响应比较。
图4是掺石墨烯前后超声换能器输出带宽比较。
具体实施方式
制备石墨烯掺杂无铅纳米压电复合薄膜超声换能器：用天平分别称取PDMS 主溶剂和硬化溶剂，按10:1质量比混合均匀后倒入烧杯中；然后用天平称量包括（但不限于）氧化锌、钛酸钡、氮化铝、铌酸钠、铌酸钾、铌酸锂等压电材料放入烧杯中；最后称量包括石墨烯、氧化石墨、还原石墨烯等放入烧杯中。压电纳米无铅材料与聚二甲基硅氧烷（PDMS）质量比为0.1~7:10（可选择0.1:10、0.5:10、1:10、2:10、3:10、4:10、5:10、6:10、7:10），然后再加入石墨烯材料，所述聚二甲基硅氧烷（PDMS）与石墨烯材料的质量比为1~6:200（可选择1:200、2:200、3:200、4:200、5:200、6:200）将烧杯放在磁力搅拌水浴锅中，转速为2500 r/min， 用保鲜膜封住烧杯口，搅拌1-1.5小时，获得均匀分散的纳米压电复合溶剂。将清洗好的硅片吸在甩胶机上，用滴管将所得混合溶液滴在硅片上，甩胶机转速设置500-2000 r/min（可选择500r/min、1000r/min、1500r/min、2000 r/min获得不同厚度的薄膜），旋转30-40 s（可选择30s、35s、40s）后将甩好薄膜的硅片取下放在培养皿中，再将培养皿放在真空干燥箱中，抽真空，温度设置在60-90℃（可选择60℃、70℃、80℃、90℃），真空干燥时间为20-40分钟（可选择20分钟、25分钟、30分钟、35分钟、40分钟）。最后取出培养皿，用镊子将硅片上的薄膜揭下来，获得均匀复合的压电薄膜。对石墨烯纳米复合薄膜施加2000-3000 V（可选择2000V、2500 V、3000V）的高压极化15-20个小时（可选择15小时、16小时、17小时、18小时、19小时、20小时），使压电薄膜中颗粒的电畴沿电场方向整齐排列，得到具有最佳压电性能的纳米复合换能器, 将复合换能器两侧分别焊接上Cu（包括但不限于）电极，并用PET进行封装，即可得到石墨烯掺杂的无铅复合薄膜超声换能器。
下面结合实例对本发明的技术方案进行详细说明，显然，所描述的实例是本发明中很小的一部分，而不是全部的实例。基于本发明中的实例，本领域人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明保护范围。
制备石墨烯掺杂无铅纳米压电复合超声换能器：用天平分别称取PDMS主溶剂和硬化溶剂共10g，按10:1质量比混合均匀后倒入烧杯中；然后用天平称量5g BaTiO3纳米颗粒放入烧杯中；最后称量石墨烯0.182g放入烧杯中。将烧杯放在磁力搅拌水浴锅中,转速为2000 r/min, 用保鲜膜封住烧杯口，搅拌1小时，获得均匀分散的石墨烯纳米压电复合溶剂。将清洗好的2cm*2cm硅片吸在甩胶机上，用滴管将所得混合溶液滴在硅片上，甩胶机转速设置1000 r/min（获得180 μm厚度的薄膜），旋转30 s后将甩好薄膜的硅片取下放在培养皿中，再将培养皿放在真空干燥箱中，抽真空，温度设置在80℃，真空干燥时间为30分钟。最后取出培养皿，用镊子将硅片上的薄膜揭下来，获得均匀复合的压电薄膜。最后对石墨烯纳米复合薄膜施加3000 V的高压极化20个小时，即可得到具有最佳压电性能的无铅超声薄膜换能器。将复合薄膜两侧分别焊接上Cu电极，并用PET进行封装。制备过程如图1所示。取出器件后，正负极相连，放置24小时后获得石墨烯掺超声换能器。利用电子超声脉冲发生器提供超声信号，将所制备的超声换能器安装在水槽壁上，电极连接上示波器记录脉冲回声响应波形图，如图2所示。相比于未掺杂石墨烯的纳米复合薄膜超声换能器，掺石墨烯后的输出电压明显增大，如图3所示。同时，利用傅里叶变换方法对所测量的数据进行频谱分析，发现掺杂石墨烯的纳米复合薄膜超声换能器的-6dB带宽相比于未掺杂石墨烯的增加了2.7 %（图4）。
Claims (3)
1.基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法，其特征在于：（1）将压电纳米无铅材料与聚二甲基硅氧烷按质量比7:10混合，然后再加入石墨烯材料，所述聚二甲基硅氧烷与石墨烯材料的质量比为1~6:200；对上述混合物搅拌1-1.5小时，获得均匀分散的纳米压电复合溶剂；（2）将硅片吸在甩胶机上，用滴管将所得纳米压电复合溶剂滴在硅片上，甩胶机转速设置500-2000 r/min，旋转30-40 s后将甩好薄膜的硅片取下放在培养皿中，再将培养皿放在真空干燥箱中，抽真空后取出培养皿，将硅片上的薄膜揭下来，获得均匀的石墨烯纳米复合压电薄膜；（3）对石墨烯纳米复合压电薄膜施加2000-3000 V的高压极化15-20个小时，使压电薄膜中颗粒的电畴沿电场方向整齐排列，得到具有最佳压电性能的无铅纳米复合换能器；（4）将纳米复合换能器两侧分别焊接上电极，并用PET进行封装，即可得到基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器；步骤（1）中将盛有混合物的容器放入磁力搅拌水浴锅中，用保鲜膜封住容器口，磁力搅拌转速为2500 r/min进行搅拌；步骤（2）中抽真空的温度设置在60-90℃，真空干燥时间为20-40分钟。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法，其特征在于，所述压电纳米无铅材料包括氧化锌或钛酸钡或氮化铝或铌酸钠或铌酸钾或铌酸锂；所述石墨烯材料包括石墨烯或氧化石墨或还原石墨烯。
3.如权利要求1或2所述的基于石墨烯掺杂的无铅压电复合薄膜超声换能器的制备方法，其特征在于，PDMS 的主溶剂和硬化溶剂按10:1质量比混合均匀。
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Yinhui Inventor after: Sun Yongjiao Inventor after: Luo Cuixian Inventor after: Li Pengwei Inventor after: Su Xiaoxiao Inventor after: Hu Jie Inventor after: Li Gang Inventor after: Jiang Huabei Inventor after: Zhang Wendong Inventor before: Luo Cuixian Inventor before: Li Pengwei Inventor before: Su Xiaoxiao Inventor before: Hu Jie Inventor before: Li Gang Inventor before: Jiang Huabei Inventor before: Zhang Wendong |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |