背衬、换能器及制备方法 |
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| 申请号 | CN202311112661.9 | 申请日 | 2023-08-31 | 公开(公告)号 | CN117123458A | 公开(公告)日 | 2023-11-28 |
| 申请人 | 光子集成(温州)创新研究院; | 发明人 | 范东明; 掌蕴东; 陈发强; 郝阳; 靳婷; 李佳欣; 马首道; 宋佳奇; 王斌; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 超 声波 检测技术领域，具体公开了一种背衬、换能器及制备方法，其中背衬的制备方法包括获取背衬材料，背衬材料包括环 氧 树脂 胶粘剂和钨粉，钨粉的体积占背衬材料体积的13～40％；将钨粉添加至 环氧树脂 胶粘剂中进行搅拌，得到表面包覆有环氧树脂的钨粉颗粒，记为复合颗粒；利用复合颗粒制备背衬。本发明的背衬具有宽工作温区、较高的声阻抗 和声 衰减系数，能对使用其的换能器起到良好的阻尼作用。使用换能器制备的 超声波 探头 背面杂波微弱，且具有更宽的 频谱 、更短的脉冲，探头的 分辨率 得到大幅提升。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种背衬的制备方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 背衬、换能器及制备方法技术领域背景技术[0003] 对于采用脉冲回波方式的超声无损检测技术中的超声波检测探头，其脉冲宽度直接影响轴向分辨率。获得窄的短脉冲最有效的办法就是在压电元件背面附加高阻尼和高衰减的背衬，利用背衬的阻尼作用使压电元件的谐振过程尽快结束；利用背衬的高衰减作用，避免产生干扰杂波，从而提升无损检测的准确性。 发明内容[0005] 本申请的目的在于，提供一种背衬、换能器及制备方法，以解决现有技术中的背衬存在的均匀性差、声衰减系数及声阻抗较低的技术问题。 [0006] 本发明的第一方面提供了一种背衬的制备方法，包括： [0007] 获取背衬材料，所述背衬材料包括环氧树脂胶粘剂和钨粉，所述钨粉的体积占所述背衬材料体积的13～40％； [0008] 将所述钨粉添加至所述环氧树脂胶粘剂中进行搅拌，得到表面包覆有环氧树脂的钨粉颗粒，记为复合颗粒； [0009] 利用所述复合颗粒制备背衬。 [0010] 优选地，所述环氧树脂的耐温范围为‑45℃～245℃。 [0011] 优选地，所述钨粉的密度为15～25g/cm3，粒径为微米级粒径。 [0012] 优选地，利用所述复合颗粒制备背衬，具体包括： [0013] 将所述复合颗粒装入模具； [0014] 利用热压机在40～80℃下对所述模具内的复合颗粒进行热压，得到背衬。 [0015] 优选地，在将所述钨粉添加至所述环氧树脂胶粘剂中进行搅拌之前，还包括： [0016] 对所述环氧树脂胶粘剂进行除泡。 [0017] 本发明的第二方面提供了一种利用上述背衬的制备方法制备得到的背衬； [0018] 所述背衬的声阻抗为15～17MRayls； [0019] 所述背衬的声衰减为83～93dB/cm/MHz [0020] 本发明的第三方面提供了一种换能器的制备方法，包括： [0021] 步骤1、将利用是上述的背衬的制备方法制备得到的未凝固的背衬固定设置于压电元件背面后静置凝固； [0022] 步骤2、将凝固后的背衬和压电元件整体加热至预设温度后进行保温，得到换能器。 [0023] 优选地，所述步骤1具体包括： [0024] 将未凝固的背衬固定设置于压电元件背面； [0025] 将未凝固的背衬和压电元件整体进行除泡及离心后静置凝固。 [0026] 优选地，所述除泡的时间为5‑15min； [0027] 所述离心的时间为10‑30min，离心的转速为2500～4000转/min。 [0028] 本发明的第四方面提供了一种利用上述换能器的制备方法制备得到的换能器。 [0029] 本发明的背衬、换能器及制备方法，相较于现有技术，具有如下有益效果： [0030] 本发明的背衬具有宽工作温区、较高的声阻抗和声衰减系数，能对使用其的换能器起到良好的阻尼作用。使用换能器制备的超声波探头背面杂波微弱，且具有更宽的频谱、更短的脉冲，探头的分辨率得到大幅提升，对于超声无损检测技术发展与国家工业建设具有重大的现实意义。附图说明 [0032] 图2为本发明实施例中换能器的制备方法的流程图。 具体实施方式[0033] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。 [0034] 本发明实施例的第一方面提供了一种背衬的制备方法，包括： [0035] 步骤1、获取背衬材料，背衬材料包括环氧树脂胶粘剂和钨粉，其中钨粉的体积占背衬材料体积的13～40％。 [0036] 示例性地，钨粉的体积占背衬材料体积的13～40％，具体可为13％、15％、20％、25％、29％、29.7％、30％、33％、33.5％、35％、40％等。相应的，环氧树脂胶粘剂的体积占背衬材料体积的60～87％，具体可为60％、65％、70％、75％、80％、85％、87％等。 [0037] 本发明实施例为提高环氧树脂胶粘剂的稳定性及胶黏性，因此充分搅拌环氧树脂胶粘剂使其分布均匀、流动性好，然后对环氧树脂胶粘剂进行除泡，其中除泡具体可采用真空除泡、振动除泡或者热处理除泡，示例性地，本发明实施例采用真空除泡，具体为利用环氧除泡机抽真空5～20min。 [0038] 步骤2、将钨粉添加至环氧树脂胶粘剂中进行搅拌，得到表面包覆有环氧树脂的钨粉颗粒，记为复合颗粒。 [0039] 示例性地，将步骤1中的钨粉添加至环氧树脂胶粘剂中后使用搅拌棒不断搅拌所得胶体溶液5～10min，在40℃烘箱中加热3～5分钟，使环氧树脂胶粘剂中的环氧树脂沉积在每一粒钨粉的表面形成膜层，得到表面包覆有环氧树脂的钨粉颗粒，记为复合颗粒。 [0040] 本发明实施例中，每一粒钨粉的表面形成的环氧树脂膜层中，环氧树脂的密度为3 3 3 3 3 3 3 2.5～3.5g/cm ，具体可为2.5g/cm 、2.6g/cm 、2.7g/cm 、2.8g/cm 、2.9g/cm 、3.0g/cm 、 3 3 3 3 3 3 3.1g/cm、3.2g/cm、3.3g/cm、3.4g/cm、3.5g/cm等，优选为2.7g/cm。 [0041] 步骤3、利用复合颗粒制备背衬，具体包括： [0042] 步骤3.1、将复合颗粒装入模具； [0043] 步骤3.2、利用热压机在40～80℃下对模具内的复合颗粒进行热压，得到背衬，其中热压的压力为2～10MPa。 [0044] 示例性地，热压的温度具体可为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃等，热压的压力为2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa等。 [0045] 现有背衬仅能在80℃～90℃以下正常工作，温度过高时将由于背衬材料的变性而失效。而本发明所使用的环氧树脂的耐温范围为‑45℃～245℃，使得利用其制备的背衬可在‑45℃～245℃内均能正常工作。示例性地，本发明的环氧树脂胶粘剂具体可为华胜同创科技公司的双组分耐高温环氧灌封胶，型号3019或者型号为TE‑9249、TE‑9128等的高温环氧树脂胶粘剂。 [0046] 本发明实施例中，钨粉的密度为15～25g/cm3，粒径为微米级粒径。示例性地，钨粉3 3 3 3 的密度为15g/cm 、17g/cm、20g/cm 、25g/cm等；钨粉的粒径为5～15μm，具体可为5μm、10μm、12μm、15μm等。 [0047] 本发明使用包覆密度为2.5～3.5g/cm3的环氧树脂和体积占比13～40％的钨粉，由于环氧树脂和钨粉的密度较高，因此，能够显著提升制备所得背衬的声阻抗。背衬的声阻抗越大，对超声波检测探头起到的阻尼作用就越大，使其脉冲变窄，带宽增加，从而改善了探头的轴向分辨率。 [0048] 压电元件被激励时，会同时向前方以及后方辐射声能，从背后返回的声波为干扰3 杂波。本发明使用包覆密度为2.5～3.5g/cm 的环氧树脂和体积占比13～40％的钨粉组成的背衬材料，其黏滞性较佳，黏滞会引起质点间的内摩擦，从而使一部分声能变成热能；同时，上述背衬材料本身可产生散射衰减，这些被散射的超声波沿着复杂的路径传播，最终也会变成热能，因而可以消除压电元件被激励时产生的干扰杂波，故，本申请利用上述背衬材料制备的背衬的声衰减系数较高，提升了超声波检测探头无损检测的准确性。 [0049] 本发明将钨粉添加至环氧树脂胶粘剂中进行搅拌，得到表面包覆有环氧树脂的钨粉颗粒，再利用钨粉颗粒热压制备背衬，该制备方法相较于现有技术中的利用熔融环氧树脂混合钨粉直接固化得到的背衬，由于每一粒钨粉外部都均匀的包覆有环氧树脂，再利用热压方法进行热压，因此，可使背衬的各个部分内材料分布均匀，性能均一。同时，由于本发明是利用复合颗粒制备的背衬，因此，背衬材料中13～40％的钨粉不会降低制备所得背衬的声衰减系数，可提升超声波检测探头无损检测的准确性。 [0050] 本发明使用耐温范围为‑45℃～245℃的环氧树脂，且由于钨粉在630℃以下也是稳定的，因此本发明的背衬能够克服现有技术中的背衬只能在常温下工作，温度过高或过低则会使其背衬材料变性，从而使得探头无法正常工作的问题。本发明的背衬能兼顾宽工作温区、具有良好的声学匹配与高阻尼作用，属于高温、高性能的声学背衬。 [0051] 本发明的第二方面提供了一种利用上述背衬的制备方法制备得到的背衬；背衬的声阻抗为15～17MRayls；背衬的声衰减为83～93dB/cm/MHz。 [0052] 本发明制备的背衬根据国家标准测试的声特性阻抗和声衰减系数均得到显著提高。制备的背衬的声衰减系数最大达93dB/cm/MHz，声阻抗达到17MRayls，且其耐温范围在‑45℃～245℃之间，在高温无损检测超声探头领域具有广阔的潜在应用价值。 [0053] 本发明的第三方面提供了一种换能器的制备方法，包括： [0054] 步骤1、将利用上述背衬的制备方法制备得到的未凝固的背衬固定设置于压电元件背面后静置凝固。 [0055] 为了进一步提高背衬各个部分性能的均一性，本发明的步骤1具体包括：将未凝固的背衬固定设置于压电元件背面；将未凝固的背衬和压电元件整体进行除泡及离心操作后静置凝固，其中除泡方式可为真空除泡、振动除泡或者加热除泡等，以真空除泡为例，将未凝固的背衬和压电元件整体放入环氧除泡机抽真空5～15min，示例性地，除泡时间具体可为5min、10min、15min等。然后将未凝固的背衬和压电元件整体放入离心机离心10～30min；转速设定为2500～4000转/min，使背衬材料分布均匀。示例性的，离心时间具体可为10min、 20min、30min等，转速具体可为2500转/min、3000转/min、3500转/min、4000转/min等。 [0056] 步骤2、将经过除泡及离心且凝固后的背衬和压电元件整体加热至预设温度后进行保温，得到换能器。 [0057] 本发明实施例中，首先使用夹具夹持住经过除泡及离心操作后的背衬和压电元件整体，静置24～48h直到背衬材料完全凝固。示例性的，静置时间可为24h、36h、48h等。其中夹具与换能器外壳紧密贴合，可以对压电元件及其背衬加上一定的压力，保证背衬与压电元件粘合均匀、稳固。在夹持过程中，并不会对压电元件和背衬造成损害。 [0058] 然后将已经完全凝固的背衬和压电元件整体加热至预设温度后保温，从而加强背衬的耐高温性能。 [0059] 本发明实施例中，预设温度为90～100℃，具体可为90℃、95℃、100℃等；保温时间为1.5h～3h，具体可为1.5h、2h、3h等。 [0060] 本发明的第四方面提供了一种利用上述换能器的制备方法制备得到的换能器。 [0061] 本发明制备的背衬采用新型高温环氧树脂，有效解决了传统的钨粉吸声背衬工作温区窄的问题，同时利用环氧除泡机与离心机处理背衬，有效减少了制备过程中气泡的产生，采用夹具固定背衬和压电元件，改善了背衬的连接效果。使用本发明的背衬制得的超声换能器的背面杂波微弱，脉冲更短，具有更宽的频谱，从而大幅提高了分辨率，且背衬在‑45℃～245℃内均能正常工作。 [0062] 下面将结合具体的实施例详细描述本发明的方案。 [0063] 实施例1 [0064] 本实施例的用于超声检测探头的背衬材料由钨粉和环氧树脂胶粘剂组成，其中钨粉所占背衬材料的体积百分比为29.7％，钨粉采用中冶鑫盾合金公司的产品，粒度为10μm，3 密度为19g/cm；环氧树脂胶粘剂采用华胜同创科技公司的双组分耐高温环氧灌封胶，型号 3 3019，密度约为2.7g/cm，配方如表1所示。 [0065] 表1实施例1的背衬配方 [0066]背衬编号 钨粉(g) 体积含量(％) 高温环氧树脂胶粘剂(g) 1 575 29.7 190 [0067] 本实施例的换能器采用如下步骤制成：先在聚丙烯试剂杯中配制190g的高温环氧树脂胶粘剂，充分搅拌高温环氧树脂胶粘剂使其混合均匀，然后将其放入环氧除泡机抽真空10min，抽至其没有显著气泡冒出即可。将575g的钨粉投入环氧树脂胶粘剂中，使用搅拌棒搅拌10分钟，在40℃烘箱中加热3min得到复合颗粒。此时环氧树脂已经较为均匀地沉积在钨粉颗粒的表面，形成有环氧树脂膜层的钨粉复合颗粒。 [0068] 为了使成型的Ф16mm的背衬厚度约为10mm以便背衬的应用，在制得的复合颗粒中称取15.4g，并将这些复合颗粒装入直径为16mm的背衬模具中，使用热压机在50℃对模具内的复合颗粒施加9MPa的压力约30s将背衬材料挤压成型。将刚刚成型的背衬材料退出模具，迅速填入提前制备好的压电元件背部，放入环氧除泡机抽真空10min。用胶带封住压电元件背部开口，放入离心机离心20min；转速设定为3000转/min，使背衬材料分布均匀。离心完毕后，将压电元件和背衬用夹具夹持固定住，在40℃下静置12h，待背衬材料完全凝固后，再加热至100℃保温2小时，以加强背衬材料的耐高温性能。最后将制备完成的换能器组装为超声探头，进行声学性能测试。实施例与对照组的测试结果如表2所示，对照组所用的背衬是E‑solder 3022，声学性能参数如表3所示。 [0069] 表2实施例1和现有技术的的背衬制成的探头的频谱性能比较 [0070] [0071] 表3探头B所用的背衬(E‑solder 3022)的声学性能 [0072] [0073] 实施例2 [0074] 本实施例的用于超声检测探头的背衬材料由钨粉和高温环氧树脂胶粘剂组成，其中钨粉所占背衬材料的体积百分比为33.5％，钨粉采用中冶鑫盾合金公司的产品，粒度为3 10μm，密度为19g/cm；高温环氧树脂胶粘剂采用华胜同创科技公司的双组分耐高温环氧灌 3 封胶，型号3019，密度约为2.7g/cm，配方如表4所示。 [0075] 表4实施例2的背衬配方 [0076]背衬编号 钨粉(g) 体积含量(％) 高温环氧树脂(g) 3 648 33.5 180 [0077] 本实施例的换能器的制备步骤如下：先在聚丙烯试剂杯中配制180g的高温环氧树脂胶粘剂，充分搅拌环氧树脂胶粘剂使其混合均匀，然后将其放入环氧除泡机抽真空20min，抽至其没有显著气泡冒出即可。将648g的钨粉投入温环氧树脂胶粘剂中，使用搅拌棒搅拌8分钟，在40℃烘箱中加热5min得到复合颗粒。此时环氧树脂已经较为均匀地沉积在钨粉颗粒的表面，形成有环氧树脂膜层的钨粉复合颗粒。 [0078] 为了使成型的Ф16mm的背衬厚度约为1mm以便背衬的声学性能测试，在制得的复合颗粒中称取1.66g，并将这些复合颗粒装入直径为16mm的背衬模具中，使用热压机在40℃对模具内的复合颗粒施加3MPa的压力约30s将背衬材料挤压成型。将刚刚成型的背衬材料退出模具，放入环氧除泡机抽真空15min，在25℃下静置24h，待背衬材料完全凝固后，再加热至100℃保温2小时，以加强背衬材料的耐高温性能。最后对制备完的背衬材料进行声学性能测试，结果如表5所示。 [0079] 表5实施例2的背衬材料的声学性能 [0080] [0081] 由上述实施例1及实施例2可知，本发明的背衬声阻抗及声衰减系数均较高。 [0082] 以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。 |
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