[發明專利]一種用于混凝土結構檢/監測的超聲換能器的制備方法

有效

• 申請號: 201410158514.X
• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN103895138A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 黃世峰;程新;焦湖東;徐東宇;葛曷一;王蕾
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: B29C39/10
• 分類號: B29C39/10;B06B1/06
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 李桂存

技術領域

本發明涉及一種超聲換能器的制備方法及所得的超聲換能器，具體涉及一種用于混凝土結構檢/監測的、圓管狀超聲換能器的制備方法，屬于壓電換能器技術領域。

背景技術

近年來，埋入式水泥基傳感器因與混凝土材料具有更好地相容性，在混凝土結構健康檢/監測方面而備受關注。然而,?目前的水泥基傳感器多以片狀壓電陶瓷或壓電復合材料為元件，大多利用其厚度振動模，僅在一方向指向性較好，無法實現水平360°方向上輻射或接收聲波，輻射面積小，尤其是對一些大型混凝土結構和一些基樁檢/監測時，布陣復雜，更需要埋設多個傳感器，這樣費時、費力。產生徑向伸縮振動的壓電陶瓷圓管或壓電復合材料具有結構簡單、性能穩定、沿半徑方向有均勻指向性、接收靈敏度高、便于布陣、攜帶方便等特點，可以克服片狀壓電材料或壓電復合材料輻射面積小，僅在一方向指向性較好，無法實現水平360°方向上輻射或接收聲波的缺點。申請人于2011年申請了名為一種1-3型弧形或圓環壓電復合材料及其制備方法的專利（CN201110394992.7），該專利僅公開了一種圓環（或圓管）形狀的壓電復合材料，但對于如何將其進行匹配、封裝制備成換能器并未涉及。此外，目前還有一些圓管形的換能器或傳感器公開，但該類換能器大多是由徑向極化壓電陶瓷圓管與薄壁金屬預應力管徑向復合而成，外部的金屬預應力管為壓電陶瓷管提供足夠大的徑向預應力，這類壓電換能器基本采用熱脹冷縮法進行裝配，此方法不僅需要較高的加工工藝，而且預應力的大小難以控制和調節，更重要的是外部的金屬與混凝土在結構、組成、性能上存在本質的差別，兩者相容性較差，無法用于混凝土結構檢/監測。因此研究適合于混凝土結構檢/監測的圓管形換能器的制備方法，對提高換能器性能的穩定性、與混凝土的相容性及成品率是十分必要的。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的不足，提供了一種用于混凝土結構檢/監測的超聲換能器的制備方法，該方法能夠快速的制備出超聲換能器，重復性好，性能穩定、所得換能器具有與混凝土相容性好、靈敏度高、輻射面積大、可實現水平360°方向上輻射、徑向輻射均勻、電聲轉換效率高、布陣方便等優點，非常適合于一些大型混凝土結構和一些基樁檢/監測。

目前，對圓管形的換能器或傳感器雖然報道的較多，但是用于混凝土檢/監測領域的報道卻很少，尤其是埋入混凝土內部的圓管形換能器的更少。在制備方面，圓管形壓電元件由于曲率半徑大，壓電元件內表面和外表面所受的應力和張力不同，因此在進行匹配和封裝時與片狀壓電元件相比更加困難和復雜，要得到合適的匹配層需要大量的實驗研究和篩選。此外，在性能方面，還要求匹配材料和封裝材料要具有絕緣、防水和耐腐蝕效果，便于埋入混凝土內部，而且它們的力學、聲學和電學性能要與混凝土和傳感元件具有好的相容性，這樣才能確保換能器具有大的功率容量、高的輻射效率和靈敏度；另外，它們與壓電元件的收縮率要有較好的匹配，防止從壓電元件上開裂和剝離，保證換能器的使用壽命和性能。

由于本發明所用的傳感元件為壓電陶瓷圓管或壓電復合材料圓管，所述壓電復合材料圓管包括水泥基壓電復合材料圓管或聚合物基壓電復合材料圓管。傳感元件曲率半徑大，在進行封裝時，若選用封裝材料的收縮率過大，就會造成壓電陶瓷圓管的外表面封裝材料開裂，內表面水泥封裝材料脫落，若選用封裝材料的收縮率太小，不利于換能器性能的提高。鑒于此，本發明選取水泥和聚合物的混合物作為封裝材料，一方面水泥是混凝土結構的基體材料之一，二者的相容性較好，同時的水泥加入可有效調整聚合物的收縮率；另一方面聚合物在固化過程中具有一定的收縮性，且絕緣和抗滲性較好。同時，在壓電元件內外表面選擇不同的封裝材料，以水泥和收縮率較大的聚合物的混合物作為壓電元件外表面（也可稱為外層）封裝材料，由于混合物在固化過程中伴隨一定的收縮，可提供由外向內的徑向預壓應力，從而提高了此類徑向復合壓電換能器的功率密度。以水泥和收縮率較小的聚合物的混合物作為壓電元件內表面（也可稱為內層）封裝材料，起到保護內電極的作用。

此外，本發明封裝材料還同時起到匹配層和背襯層的作用，在壓電元件外表面的封裝層同時作為匹配層，在壓電元件內表面的封裝層和壓電元件中間的空氣層作為背襯層。由于封裝材料本身性能、厚度及收縮時壓應力對換能器的頻率、機電耦合系數、帶寬和靈敏度等性能都有很大影響，?因此在材料的選擇、配方和制備工藝的優化、結構的設計等方面更需要系統研究與嚴格篩選，只有這樣才能得到性能優異的產品。

本發明具體技術方案如下：