什么是压电复合材料？

探头虽小，却是提高超声检测能力和质量的关键因素。有人说，超声检测技

术的国内外差距：工艺最小，仪器其次，探头最大。国内外探头的差距不仅在制

造工艺上，更主要的是压电材料。

压电复合材料的发明将超声探头性能带入一个新阶段。这种新材料是在上世

纪80 年代中期发明的，最早应用于生物医学超声，可大幅度成像分辨率，后来

发现其同样适用于工业超声检测。

 

压电复合材料是压电陶瓷与高分子聚合物复合构成，所用的高分子聚合物有

好几种，例如硅胶、环氧树脂、聚偏二氟乙烯(PVDF)等等。

换能器用的压电复合材料有多种结构，图1 所示为1-3 型复合结构，由一系

列定向均布的的压电棒插在环氧树脂中构成，插在聚合树脂中的压电陶瓷具有一

维连通性（即朝试件单向振动），而聚合物则具有三维连通性。图2 所示为应用

切割填充法制造压电复合材料的过程，先将单体陶瓷切割成骰子块状，再注入聚

合树脂，然后切片、打磨、镀银、冲压、极化制成。该种结构可用于相控阵探头、

TOFD 探头和高性能常规脉冲超声探头。

用压电复合材料制作的探头有以下优点：

（1）横向振动很弱，串扰声压小；

（2）机械品质因数Q 值低：

（3）带宽大（80%～100%）；

（4）机电耦合系数值大；

（5）灵敏度高，信噪比优于普通PZT 探头；

（6）在较大温度范围内特性稳定；

（7）可加工形状复杂的探头，仅需简易的切块

和充填技术；

（8）声速、声阻抗、相对绝缘常数及机电系数

易于改变（因这些参数相关于陶瓷材料的体积率）；

（9）易与声阻抗不同的材料匹配（从水到钢）；

（10）可通过陶瓷体积率的变化，调节超声波灵敏度。

由以上所列优点可见，压电复合材料把许多困扰压电陶瓷探头的问题一下子

就解决了。由此可见，材料创新是最基础的创新。

至今未听说国内制造出好的压电复合材料探头。大约10年前听说北京一家研究机构

搞出了压电复合材料，我曾去拜访过，会面时保密措施极严，什么也不说，

什么也不给看。后来访问GE 上海研发中心，倒是向我详细介绍了压电复合材料

的性能和生产过程，用于切割单体陶瓷的刀具其实是一种极薄的特殊砂布，在高

速旋转下能在陶瓷上割出细槽。

压电复合材料探头虽好，但价格很贵，影响其推广应用。我们期待有好而便

宜的国产压电复合材料探头面世。（2008/11/16）