一种超声换能器背衬及其制备和声衰减系数调控方法
文献发布时间：2023-06-19 16:08:01
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，具体涉及一种超声换能器背衬及其制备方法。
背景技术
近几十年来，超声技术获得了显著的发展，在工业，农业，国防，能源等诸多领域中获得了广泛的应用。超声换能器是超声探头的核心部件，它一般由三个部分组成：压电元件，匹配层，背衬。其中压电元件能够利用压电材料的压电效应，实现电能与声能之间的相互转化；匹配层能够在压电元件和待测物体之间实现声阻抗的平稳过渡，使得压电元件所产生的声能不会在压电元件和匹配层的交界处发生发射，使得压电元件所产生的声能能够最大程度的进入待测物体；背衬作为超声换能器的组成部分，除了能够对压电元件进行物理支持之外，还能够在尽可能实现与压电元件声阻抗匹配的前提下，大幅度的耗散进入背衬材料的声能，减少反射到压电元件的声能，进而提升波形的质量。
对于超声换能器，背衬材料的声衰减系数越大，则超声换能器产生的波形拖尾越少，波形质量越好，但与此同时伴随着的是发射接受灵敏度的降低。因此，背衬材料的声衰减系数需要根据具体使用场景中对波形质量和发射接受灵敏度的要求高低来进行权衡。若对波形质量要求高，而对发射接受灵敏度要求低，则使用声衰减系数较大的背衬材料；若对发射接受灵敏度要求高，而对波形质量要求低，则使用声衰减系数较小的背衬材料。但是，现有的背衬材料制备方法难以根据需要来调控所得背衬材料的声衰减系数；进而导致难以根据使用场景获得具有最佳声衰减系数的超声换能器背衬。
传统的背衬材料一般通过固体粉末与液态环氧树脂混合后固化的方式制备，常用的固体粉末有钨，氧化钨，氧化铅等，但是这种制备背衬材料的方式存在一些问题。以添加钨粉的背衬材料为例，有关研究表明，随着体系中钨粉的体积分数的不断增加，材料的密度和声阻抗单调上升，但是声衰减系数随钨粉体积分数的变化规律则与此不同。环氧树脂中未添加钨粉时，声衰减系数为1.43dB/mm。随着钨粉体积分数的增加，声衰减系数先上升后下降，在钨粉体积百分比为8％时，声衰减系数达到峰值4.3dB/mm；当钨粉体积分数为25％时，背衬的声阻抗达到最大值10.3MRayl，但是背衬的声衰减系数已经下降到3dB/mm以下；可见，传统背衬材料的声衰减系数的峰值和可调控范围均较小，且难以同时满足对于声阻抗和声衰减系数的要求。
针对这个问题，本发明在金属粉末与环氧树脂混合的基础上，添加白云母粉末实现了背衬材料声衰减系数的控制。本发明所提出的方式能够在保证背衬材料声阻抗相对稳定的情况下，有方向性的调控背衬材料的声衰减系数，使得背衬材料的声阻抗和声衰减都能够满足要求。
发明内容
本发明的目的在于通过改变背衬材料中白云母的质量分数，制备了一系列应用于超声换能器的背衬材料。
第一方面，本发明提供一种超声换能器背衬，其通过氮化铝、钨粉、云母粉和环氧树脂混合后并固化得到。通过调整云母粉在混合物中的质量分数，改变超声换能器背衬的声阻抗系数。
作为优选，所述的云母粉在混合物中的质量分数小于或等于3.1％；通过增加母粉在混合物中的质量分数，提高超声换能器背衬的声阻抗系数。
作为优选，所述的云母粉在混合物中的质量分数为3.1％～5.1％。；通过减少母粉在混合物中的质量分数，提高超声换能器背衬的声阻抗系数。
作为优选，环氧树脂为双酚a型环氧树脂，其包括树脂主成分和固化剂。
作为优选，混合物中，树脂主成分、固化剂、氮化铝、钨粉的质量比为10:3:(4～10):(3～10)。
作为优选，各组分的混合和固化的具体过程为：将各个组分初步搅拌后进行离心搅拌；离心搅拌后进行加热，实现环氧树脂的固化。
作为优选，加热的条件为50℃下恒温加热12h。
第二方面，本发明提供了前述超声换能器背衬的制备和声衰减系数调控方法，具体步骤如下：
步骤一、将树脂主成分、固化剂、氮化铝、钨粉、白云母粉按照10:3:(4～10):(3～10):(0.5～1.5)的质量比初步混合后，放入搅拌机中离心搅拌。各组分充分搅拌之后，形成混合流体。根据背衬材料所需的声衰减系数调整白云母粉的添加量。
步骤二、将所得混合流体导入模具后放入烘箱中，50℃恒温条件下加热12小时，模具中的流体固化；将模具中的固体取出并打磨后，得到超声换能器背衬。
第三方面，本发明提供了一种云母粉在调控超声换能器背衬声阻抗系数中的应用，具体通过添加不同质量分数的云母粉调控超声换能器背衬声阻抗系数的大小。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过在超声换能器背衬中引入云母粉，并通过改变云母粉在背衬中的质量分数，获得不同声衰减系数的超声换能器背衬；超声换能器背衬的调控范围达到了1.03dB/mm～13.74dB/mm，能够为不同的使用场景提供最适合的超声换能器背衬。
2.本发明提供的背衬材料中云母粉的质量分数达到5.1％时，超声换能器背衬的声衰减系数达到了13.74dB/mm，明显高于现有背衬材料的声衰减系数，从而能够显著提高超声波换能器的波形质量。
3.本发明通过在超声换能器背衬材料中添加白云母粉，片状的白云母粉添加到环氧树脂后能够和其他组分一起堆叠为复杂的几何结构，对密度较大的钨粉形成一定支撑，从而使得各组分在背衬材料中的分布更加的均匀。
附图说明
图1为本发明制得的背衬材料的密度随白云母粉质量分数的变化图；
图2为本发明制得的背衬材料的声速随白云母粉质量分数的变化图；
图3为本发明制得的背衬材料的声阻抗随白云母粉质量分数的变化图；
图4为本发明制得的背衬材料的声衰减随白云母粉质量分数的变化图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
一种超声换能器背衬的制备方法如下：
步骤一、将环氧树脂122A(双酚a型环氧树脂的主成分)、环氧树脂122B(双酚a型环氧树脂的固化剂)、氮化铝、钨粉、白云母粉按照10:3:5:5:0.5的质量比初步混合后，放入搅拌机中离心搅拌2min。各组分充分搅拌之后，形成混合流体。
步骤二、将所得混合流体导入模具后放入烘箱中，50℃恒温条件下加热12小时，模具中的流体固化；将模具中的固体样本取出，并放至磨床之下加工至指定厚度，得到超声换能器背衬。所得超声换能器背衬中白云母粉的质量分数为2.1％。
所得超声换能器背衬的各项性能指标如下：密度为2673.73kg/m
实施例2
一种超声换能器背衬的制备方法如下：
步骤一、将环氧树脂122A(双酚a型环氧树脂的主成分)、环氧树脂122B(双酚a型环氧树脂的固化剂)、氮化铝、钨粉、白云母粉按照10:3:5:5:0.75的质量比初步混合后，放入搅拌机中离心搅拌2min。各组分充分搅拌之后，形成混合流体。
步骤二、将所得混合流体导入模具后放入烘箱中，50℃恒温条件下加热12小时，模具中的流体固化；将模具中的固体样本取出，并放至磨床之下加工至指定厚度，得到超声换能器背衬。所得超声换能器背衬中白云母粉的质量分数为3.1％。
所得超声换能器背衬的各项性能指标如下：密度为2760kg/m
实施例3
一种超声换能器背衬的制备方法如下：
步骤一、将环氧树脂122A(双酚a型环氧树脂的主成分)、环氧树脂122B(双酚a型环氧树脂的固化剂)、氮化铝、钨粉、白云母粉按照10:3:5:5:1的质量比初步混合后，放入搅拌机中离心搅拌2min。各组分充分搅拌之后，形成混合流体。
步骤二、将所得混合流体导入模具后放入烘箱中，50℃恒温条件下加热12小时，模具中的流体固化；将模具中的固体样本取出，并放至磨床之下加工至指定厚度，得到超声换能器背衬。所得超声换能器背衬中白云母粉的质量分数为4.1％。
所得超声换能器背衬的各项性能指标如下：密度为2664.77kg/m
实施例4
一种超声换能器背衬的制备方法如下：
步骤一、将环氧树脂122A(双酚a型环氧树脂的主成分)、环氧树脂122B(双酚a型环氧树脂的固化剂)、氮化铝、钨粉、白云母粉按照10:3:5:5:1.25的质量比初步混合后，放入搅拌机中离心搅拌2min。各组分充分搅拌之后，形成混合流体。
步骤二、将所得混合流体导入模具后放入烘箱中，50℃恒温条件下加热12小时，模具中的流体固化；将模具中的固体样本取出，并放至磨床之下加工至指定厚度，得到超声换能器背衬。所得超声换能器背衬中白云母粉的质量分数为5.1％。
所得超声换能器背衬的各项性能指标如下：密度为2693.99kg/m3，声速为2114.19m/s，声阻抗为5.69MRayl，声衰减为1.44dB/mm。
实施例5
一种超声换能器背衬的制备方法如下：
步骤一、将环氧树脂122A(双酚a型环氧树脂的主成分)、环氧树脂122B(双酚a型环氧树脂的固化剂)、氮化铝、钨粉、白云母粉按照10:3:5:5:1.5的质量比初步混合后，放入搅拌机中离心搅拌2min。各组分充分搅拌之后，形成混合流体。
步骤二、将所得混合流体导入模具后放入烘箱中，50℃恒温条件下加热12小时，模具中的流体固化；将模具中的固体样本取出，并放至磨床之下加工至指定厚度，得到超声换能器背衬。所得超声换能器背衬中白云母粉的质量分数为6.1％。
所得超声换能器背衬的各项性能指标如下：密度为2649.04kg/m3，声速为2197.25m/s，，声阻抗5.82MRayl，声衰减为3.82dB/mm。
对比例
一种超声换能器背衬的制备方法如下：
步骤一、将环氧树脂122A(双酚a型环氧树脂的主成分)、环氧树脂122B(双酚a型环氧树脂的固化剂)、氮化铝、钨粉按照10:3:5:5的质量比初步混合后，放入搅拌机中离心搅拌2min。各组分充分搅拌之后，形成混合流体。
步骤二、将所得混合流体导入模具后放入烘箱中，50℃恒温条件下加热12小时，模具中的流体固化；将模具中的固体样本取出，并放至磨床之下加工至指定厚度，得到超声换能器背衬。
所得超声换能器背衬的各项性能指标如下：密度为2684.2kg/m
实施例1-5以及对比例中，所得超声换能器背衬的密度、声速、声阻抗、声衰减随白云母粉质量分数的变化情况分别如图1-4所示；从图中可以看出，不同白云母粉质量分数下，超声换能器背衬的声衰减系数具有较大幅度的变化。因此，能够使用添加不同质量比的白云母粉制备背衬来调整超声换能器的声衰减系数。