一种耐γ辐射超声换能器

技术领域

本申请涉及超声无损检测器件技术领域，尤其涉及一种耐γ辐射超声换能器。

背景技术

在核电站中具有较高10

发明内容

本申请实施例提供了一种耐γ辐射超声换能器，用于解决现有超声换能器在辐照下发生物理化学性质上的改变，导致检测结果不准确的技术问题。

为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

一方面，提供了一种耐γ辐射超声换能器，包括超声换能单元，所述超声换能单元包括耐辐射壳体以及设置在所述耐辐射壳体中的耐辐射匹配层、耐辐射压电层和耐辐射背衬层；

所述耐辐射匹配层是采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的；

所述耐辐射压电层是采用减材或增材方式将耐辐射压电材料制造数个压电小柱或压电片状，在相邻两个所述压电小柱或压电片状的间隙填充耐辐射聚合物制备的；

所述耐辐射背衬层为耐辐射多孔陶瓷和/或碳－碳复合材料制备的。

优选地，所述耐辐射基体材料为热固型双酚A型环氧树脂、热塑性树脂如聚酰亚胺和/或聚醚醚酮。

优选地，所述耐辐射无机填料为氧化铝、氧化锆、二氧化硅、银粉或钨粉陶瓷粉末。

优选地，若所述耐辐射基体材料为热固型双酚A型环氧树脂，所述耐辐射无机填料为氧化铝陶瓷粉末，采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的耐辐射匹配层内容包括：

获取耐辐射匹配层的声阻抗数据，采用热固型双酚A型环氧树脂为耐辐射基体材料，根据所述声阻抗数据调整耐辐射基体材料与耐辐射无机填料之间的比例将氧化铝陶瓷粉末与热固型双酚A型环氧树脂混合，得到混合材料；

对所述混合材料通过混料固化成型方式制作复合的耐辐射匹配层。

优选地，若所述耐辐射基体材料为热塑性树脂如聚酰亚胺或聚醚醚酮，所述耐辐射无机填料为氧化铝陶瓷粉末，采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的耐辐射匹配层内容包括：

获取耐辐射匹配层的声阻抗数据，采用热塑性树脂如聚酰亚胺或聚醚醚酮为耐辐射基体材料，根据所述声阻抗数据调整耐辐射基体材料与耐辐射无机填料之间的比例将氧化铝陶瓷粉末与热塑性树脂如聚酰亚胺或聚醚醚酮混合，得到混合材料；

对所述混合材料通过模压成型方式制作复合的耐辐射匹配层。

优选地，所述耐辐射聚合物为双酚A型环氧树脂。

优选地，所述超声换能单元包括与所述耐辐射背衬层连接的耐辐射电缆，所述耐辐射电缆裸露在所述壳体外。

优选地，所述耐辐射匹配层为一层、两层或多层结构。

优选地，所述耐辐射压电材料为耐辐射压电陶瓷、耐辐射压电单晶、耐辐射压电聚合物或压电复合材料。

优选地，该耐γ辐射超声换能器包括数个所述超声换能单元组成单基元式、线阵、面阵或弧阵结构。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：该耐γ辐射超声换能器，包括超声换能单元，超声换能单元包括耐辐射壳体以及设置在耐辐射壳体中的耐辐射匹配层、耐辐射压电层和耐辐射背衬层；耐辐射匹配层是采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的；耐辐射压电层是采用减材或增材方式将耐辐射压电材料制造数个压电小柱或压电片状，在相邻两个压电小柱或压电片状的间隙填充耐辐射聚合物制备的；耐辐射背衬层为耐辐射多孔陶瓷和/或碳－碳复合材料制备的。该耐γ辐射超声换能器通过制备具有高耐辐射性的匹配层、压电层和背衬层，实现了超声换能器的高耐辐射性，使得耐γ辐射超声换能器可承受更高的γ辐射剂量率，具有更长的使用时间，解决了现有超声换能器在辐照下发生物理化学性质上的改变，导致检测结果不准确的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所述的耐γ辐射超声换能器的结构示意图；

图2为本申请实施例所述的耐γ辐射超声换能器中双酚A型环氧树脂的化学结构式图；

图3为本申请实施例所述的耐γ辐射超声换能器进行辐照前后性能测试的脉冲回波频谱图。

具体实施方式

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本申请实施例提供了一种耐γ辐射超声换能器，用于解决了现有超声换能器在辐照下发生物理化学性质上的改变，导致检测结果不准确的技术问题。

图1为本申请实施例所述的耐γ辐射超声换能器的结构示意图，图2为本申请实施例所述的耐γ辐射超声换能器中双酚A型环氧树脂的化学结构式图，图3为本申请实施例所述的耐γ辐射超声换能器进行辐照前后性能测试的脉冲回波频谱图。在图3中a)为耐γ辐射超声换能器辐照前的脉冲回波频谱图，b)为耐γ辐射超声换能器辐照后的脉冲回波频谱图。

如图1所示，本申请实施例提供了一种耐γ辐射超声换能器，包括超声换能单元，超声换能单元包括耐辐射壳体4以及设置在耐辐射壳体4中的耐辐射匹配层1、耐辐射压电层2和耐辐射背衬层3。

需要说明的是，如图1所示，超声换能单元从左到右依次设置有耐辐射匹配层1、耐辐射压电层2和耐辐射背衬层3。在耐辐射背衬层3上还连接有耐辐射电缆5，耐辐射电缆5裸露在壳体4外。

在本申请实施例中，耐辐射匹配层1是采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的。

需要说明的是，耐辐射匹配层1声阻抗可由理论计算得到，耐辐射匹配层1的厚度为耐辐射匹配层1声波波长的1/4。耐辐射基体材料可以为热固型双酚A型环氧树脂、热塑性树脂如聚酰亚胺、聚醚醚酮中的一种或几种。耐辐射无机填料可以为氧化铝、氧化锆、二氧化硅、银粉或钨粉陶瓷粉末；也可以为氧化铝、氧化锆、二氧化硅、银粉或钨粉金属粉末。在本实施例中，热固型双酚A型环氧树脂的化学结构式如图2所示，热固型双酚A型环氧树脂型号可为E51。耐辐射匹配层1可以为一层、两层或多层结构。

在本申请实施例中，耐辐射压电层2是采用减材或增材方式将耐辐射压电材料制造数个压电小柱或压电片状，在相邻两个压电小柱或压电片状的间隙填充耐辐射聚合物制备的。

需要说明的是，耐辐射压电材料为耐辐射压电陶瓷、耐辐射压电单晶、耐辐射压电聚合物或压电复合材料。通过机械切割方式将耐辐射压电材料切割形成多个压电小柱或多个压电片状，耐辐射压电层之后通过压电小柱或压电片状对耐辐射压电材料进行减材或增材，并在两两压电小柱或压电片状之间的间隙中填充耐辐射聚合物制备出耐辐射1-3型压电复合材料。作为填充的耐辐射聚合物材料可采用双酚A型环氧树脂(如E51等)，根据耐辐射压电层的设计参数对压电陶瓷进行切割，从而制备出耐辐射1-3型压电复合材料，也可以根据被测物材质和检测需求制备不同的晶片频率的耐辐射压电层。在本实施例中，制备耐辐射压电层2所采用的压电陶瓷为单相的压电陶瓷、压电单晶或压电复合材料，使得该耐γ辐射超声换能器具有良好的耐辐射性能，耐辐射压电层2的压电复合材料中压电相体积占比为20％～80％。

在本申请实施例中，耐辐射聚合物可以为双酚A型环氧树脂。在此实施例中，选择热固性树脂的双酚A型环氧树作为耐辐射聚合物，双酚A型环氧树脂具有良好的耐辐射性能的以苯环结构为分子主链的高分子材料，进一步提高该耐γ辐射超声换能器的耐辐射性能。

在本申请实施例中，耐辐射背衬层3为耐辐射多孔陶瓷和/或碳－碳复合材料制备的。

需要说明的是，耐辐射背衬层3是多孔陶瓷、碳－碳复合材料，具备高声衰减、高声阻抗和耐辐射特性。在本实施例中，耐辐射背衬层3可以采用碳碳复合材料，其是以碳为基体的全碳质材料，使得该耐γ辐射超声换能器具备优异的耐辐射特性。

在本申请实施例中，外壳4可根据耐γ辐射超声换能器结构进行设计，也可以根据实际检测的耐γ辐射超声换能器的结构需求进行设计。

本申请提供的一种耐γ辐射超声换能器，包括超声换能单元，超声换能单元包括耐辐射壳体以及设置在耐辐射壳体中的耐辐射匹配层、耐辐射压电层和耐辐射背衬层；耐辐射匹配层是采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的；耐辐射压电层是采用减材或增材方式将耐辐射压电材料制造数个压电小柱或压电片状，在相邻两个压电小柱或压电片状的间隙填充耐辐射聚合物制备的；耐辐射背衬层为耐辐射多孔陶瓷和/或碳－碳复合材料制备的。该耐γ辐射超声换能器通过制备具有高耐辐射性的匹配层、压电层和背衬层，实现了超声换能器的高耐辐射性，使得耐γ辐射超声换能器可承受更高的γ辐射剂量率，具有更长的使用时间，解决了现有超声换能器在辐照下发生物理化学性质上的改变，导致检测结果不准确的技术问题。

需要说明的是，该耐γ辐射超声换能器能够承受>104Gy/h的γ辐射剂量率，该耐γ辐射超声换能器的使用时长可达100h。

在本申请的一个实施例中，若耐辐射基体材料为热固型双酚A型环氧树脂，耐辐射无机填料为氧化铝陶瓷粉末，采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的耐辐射匹配层内容包括：

获取耐辐射匹配层的声阻抗数据，采用热固型双酚A型环氧树脂为耐辐射基体材料，根据声阻抗数据调整耐辐射基体材料与耐辐射无机填料之间的比例将氧化铝陶瓷粉末与热固型双酚A型环氧树脂混合，得到混合材料；

对混合材料通过混料固化成型方式制作复合的耐辐射匹配层。

需要说明的是，耐辐射匹配层采用热固型双酚A型环氧树脂为耐辐射基体材料，通过混料固化成型方式和氧化铝等陶瓷粉末进行复合成型，复合成型过程中可以通过调整耐辐射基体材料和耐辐射无机填料之间的比例来制备出能满足性能要求的耐辐射匹配层。在本实施例中，由于耐γ辐射超声换能器使用不同的耐辐射压电层，对耐辐射匹配层的声阻抗要求也不同，此外，多层耐辐射匹配层中每一层对声阻抗的要求也不同，按照实际所需要的声阻抗值进行比例的调整：耐辐射基体材料的声阻抗比较低，而耐辐射无机填料的声阻抗比较高，混合后的混合材料的声阻抗会与耐辐射无机填料的含量成正比关系，可在耐辐射无机填料极限内调整耐辐射基体材料和耐辐射无机填料之间的比例以达到所需声阻抗值，使得制备的耐辐射匹配层满足该耐γ辐射超声换能器的要求。

在本申请的一个实施例中，若耐辐射基体材料为热塑性树脂如聚酰亚胺或聚醚醚酮，耐辐射无机填料为氧化铝陶瓷粉末，采用耐辐射基体材料和耐辐射无机填料按比例通过复合成型制备的耐辐射匹配层内容包括：

获取耐辐射匹配层的声阻抗数据，采用热塑性树脂如聚酰亚胺或聚醚醚酮为耐辐射基体材料，根据声阻抗数据调整耐辐射基体材料与耐辐射无机填料之间的比例将氧化铝陶瓷粉末与热塑性树脂如聚酰亚胺或聚醚醚酮混合，得到混合材料；

对混合材料通过模压成型方式制作复合的耐辐射匹配层。

需要说明的是，辐射匹配层1也可采用热塑性树脂如聚酰亚胺或聚醚醚酮等为耐辐射基体材料，耐辐射无机填料使用氧化铝等陶瓷粉末再利用模压成型方式进行复合成型，在复合成型过程中通过调整耐辐射基体材料和耐辐射无机填料之间的比例来制备出所需要的耐辐射匹配层，

本申请的一个实施例中，该耐γ辐射超声换能器包括数个超声换能单元组成单基元式、线阵、面阵或弧阵结构。

在本申请的实施例中，对该耐γ辐射超声换能器进行耐辐照测试104Gy/h辐射率下辐照100小时后进行性能测试，由图3可知，辐照前后该耐γ辐射超声换能器中心频率、带宽和灵敏度等参数变化较小。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其他的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。