[發(fā)明專利]一種彈性波阻抗匹配與阻尼吸收梯度材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110405887.9
• 申請日: 2011-12-08
• 公開（公告）號: CN102398030A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 譚家隆;李萍;梁鵬飛;葉超
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B22F3/02
• 分類號: B22F3/02;B22F1/02;B22F1/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種彈性波減振和吸波領(lǐng)域阻尼吸收層材料的制備方法，是一種彈性波阻抗匹配與阻尼吸收梯度材料的制備方法。

背景技術(shù)

彈性波的阻抗匹配、阻尼和吸收材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。作為彈性波在兩種不同介質(zhì)間傳播的耦合材料，希望其兩個界面的波阻抗值分別與兩種介質(zhì)的的波阻抗值相同或相近，即阻抗匹配，而耦合材料內(nèi)部的波阻抗則單調(diào)連續(xù)變化，即波阻抗梯度變化；作為彈性波的吸收材料，同樣要求其面向入射波方向的表面與相鄰介質(zhì)波阻抗匹配，并且要求其內(nèi)部的波阻抗和衰減系數(shù)從匹配功能層到吸收功能層梯度變化。吸收功能層要求對該頻段彈性波有較高的吸收或衰減系數(shù)。對上述材料無論基于何種應(yīng)用要求，均希望其波阻抗和衰減系數(shù)能人為控制并且梯度變化，其目的是有效控制入射波的反射、透射比例和吸收耗散程度。

以超聲無損檢測探頭中的阻尼吸收材料為例，在電脈沖激勵下，其中的壓電晶片同時向前、后輻射彈性脈沖波。前向輻射的彈性脈沖用于超聲無損檢測，而后向輻射的彈性脈沖則希望由阻尼吸收材料迅速吸收耗散，否則該彈性脈沖經(jīng)反射后會疊加到晶片的前向輻射脈沖上，使前向輻射脈沖展寬，顯著降低超聲探頭的特性或品質(zhì)。作為壓電晶片背向的阻尼吸收材料(或?qū)?，理想狀態(tài)應(yīng)由兩個功能層構(gòu)成，即緊鄰壓電晶片的阻抗匹配層和后面的阻尼吸收層，前者表面波阻抗與壓電晶片相同或相近，以減少晶片背向輻射的反射(或增加透射)；后者要求有高的波衰減系數(shù)，以增加對晶片背向輻射的阻尼吸收效果，并且整個阻尼吸收層的波阻抗和衰減系數(shù)呈現(xiàn)梯度變化。

目前，波阻抗和衰減系數(shù)梯度材料主要有兩種制備方法：

一種為多層構(gòu)造，通過將波阻抗值依次變化的薄層粘結(jié)復(fù)合在一起制成兩端聲阻抗值不同的聲阻抗梯度材料，例如申請?zhí)枮?00480005788.X，名稱為《具有匹配的聲阻抗的裝置及方法》的專利中所述的方法。

該方法具有較為明顯的缺點：即材料內(nèi)部各層之間波阻抗值并非連續(xù)變化，聲波通過層間會有不同程度的反射，不能算是完全意義上的波阻抗梯度材料。

另一種為使用聲學(xué)材料顆粒與高分子粘結(jié)劑混合后在重力作用下使顆粒按比重形成梯度分布，進而獲得波阻抗梯度材料，如申請?zhí)枮?00820151708.7，名稱為《聲阻抗連續(xù)變化的超聲換能器》中所述的方法。由于該方法采用聲學(xué)顆粒材料與高分子粘結(jié)劑濕混合方式，其中的粘結(jié)劑粘度高，流動性差，導(dǎo)致所制備的功能材料梯度效果有限。并且，粘結(jié)劑的濕混合也無法有效控制其加入量和使其均勻分布，從而使所制備材料波阻抗的可調(diào)節(jié)范圍較小，應(yīng)用范圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種彈性波阻抗匹配和阻尼吸收梯度材料的制備方法，

本發(fā)明根據(jù)所匹配或耦合介質(zhì)的波阻抗值要求，或待吸收彈性波的頻譜和吸收量要求，依據(jù)波阻抗R＝ρc，其中ρ為介質(zhì)密度，c為彈性波在介質(zhì)中的傳播速度。制備材料的吸收和衰減量值則主要通過控制其中粘滯和散射組分的比例來實現(xiàn)。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其采用的技術(shù)方案如下：

首先，選擇不同密度和粒度的金屬、非金屬以及高分材料的粉末作為制備彈性波阻尼吸收材料的組分，選擇粉狀熱塑性酚醛樹脂作為各組份粉末顆粒的粘結(jié)劑。按在組分材料粉末表面附著4μm厚的粘結(jié)劑為標(biāo)準，根據(jù)不同粉末顆粒的直徑和密度得出粘結(jié)劑在該粉末顆粒中相應(yīng)的添加量。將每一種粉末顆粒及其相應(yīng)添加量的粘結(jié)劑，首先在常溫下進行干混合，然后逐步將溫度提高到140～160℃，繼續(xù)混合。由于熱塑性酚醛樹脂中苯酚與甲醛的摩爾比遠大于1，導(dǎo)致加熱時甲醛分解的亞甲基“-CH2-”嚴重不足，無法實現(xiàn)網(wǎng)狀交鏈反應(yīng)，因此屬熱塑性樹脂。熱混的目的是使熱塑性酚醛樹脂液化后均勻包覆在粉末顆粒的表面。待粉末顆粒與粘結(jié)劑混合均勻后，降低溫度至100～110℃之間，并在此溫度下加入粘結(jié)劑重量18％的六亞甲基四胺(烏洛托品)，繼續(xù)混合，均勻后降至室溫，并將結(jié)塊的物料粉碎、篩選。

功能梯度層的形成是利用在一定粘度液體中不同密度，不同粒度的粉末顆粒具有不同的沉降速率的原理，即斯托克斯定律

v＝(ρ_s-ρ_l)D²g/18η

其中，v為粉末顆粒的沉降速率；ρ_s和ρ_l分別為粉末顆粒和沉降液體的密度；D為粉末顆粒的等效直徑；η為沉降液體的粘度系數(shù)；g為重力加速度。