[發明專利]一種新型石墨烯超聲波探頭

在審

• 申請號: 201610237740.6
• 申請日: 2016-04-15
• 公開（公告）號: CN105784849A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 錢夏夷;王一寧;鄭楊艷
• 申請（專利權）人: 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院
• 主分類號: G01N29/24
• 分類號: G01N29/24
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 邢賢冬;瞿網蘭

技術領域

本發明涉及一種新型石墨烯超聲波探頭。

背景技術

隨著工業技術的不斷發展進步，產品的質量越來越受到人們重視，相應的對產品質量檢 測手段的要求也越來越高。超聲波檢測技術作為常規的五大無損檢測技術之一，是利用超聲 波在介質中的傳播性質對材料或構件中的缺陷和異常進行檢測，由于超聲波的穿透能力強、 對材料和人體無害、使用方便等特點，被廣泛應用于材料、機械、石油化工、宇航、能源等 領域。超聲波探頭作為產生與接收超聲波的元器件，是組成超聲檢測系統的重要組件之一， 按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲 波探頭原理是利用壓電材料的壓電效應來工作的。逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械 振動，從而產生超聲波，可作為發射探頭；正壓電效應將超聲振動波轉換成電信號，可作為 接收探頭。超聲波探頭的性能直接影響發射超聲波的特性，影響超聲波的檢測能力和缺陷檢 測的準確性，因此，對超聲波探頭的設計與制作對于超聲波檢測的可靠性至關重要。

目前，國內外壓電式超聲波探頭常用的材料為壓電晶體和壓電陶瓷，但是由于壓電陶瓷 硬且脆，通常粘在某種金屬片上一起構成壓電振子，并且脆性大、與本體材料相容性差，易 在分界面處造成損傷和斷裂。壓電晶體中應用最廣泛最具代表性的屬石英晶體，但是石英晶 體壓電常數較低，應用范圍被限制，居里溫度雖然為573℃，但是只能在350℃以下使用， 當溫度高于350℃時，孿晶的產生將使得石英晶體的壓電性能急劇惡化。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種能夠在高溫條件下使用，且使用壽命長的新型超聲波探頭。 該超聲波探頭以氮化石墨烯(g-C3N4)作為壓電層材料，可在較高的溫度環境下使用，由 于氮化石墨烯的柔韌性好、強度高且穩定，因此壓電體不易損壞，延長了探頭的使用壽命； 氮化石墨烯作為目前最薄的壓電材料，在壓電晶片材料厚度與超聲波頻率的乘積為常數的條 件下，壓電晶片厚度越小，可發出或接收的超聲波頻率就高，因此，可制作出高頻超聲波探 頭。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種新型石墨烯超聲波探頭，包括接插件、外殼、背襯層、引線、壓電層、隔離層、匹 配層；所述壓電層被隔離層分成接收超聲波壓電層和發射超聲波壓電層，所述背襯層位于壓 電層頂表面，所述的匹配層位于壓電層底表面；所述壓電層的壓電晶片以二維矩陣的形式布 置，其特征在于所述壓電晶片的材料為氮化石墨烯。

本發明所述石墨烯超聲波探頭為雙晶直探頭。

氮化石墨烯(g-C3N4)采用半封閉法熱解前驅體，通過其自身的縮聚過程制備。所述 前驅體主要有雙氰氨、三聚氰胺或尿素等含氮物質。氮化石墨烯的制備可以參照“王濤等, 層狀石墨相g-C3N4氮化碳的簡易制備和表征[J],材料導報,2012,26(S1):36-38”。氮化石墨 烯(g-C₃N₄)加工成一定尺寸的氮化石墨烯壓電晶片后以二維矩陣形式布置得到壓電層。匹 配層主要作用為提高探頭靈敏度，減少信號失真，實現聲阻抗過渡或匹配。所述匹配層由聚 合物和固體顆粒組成的復合材料填充而成，可以調節復合材料中各組分的比例來調節匹配層 的聲阻抗。其中作為基體的聚合物采用有機硅樹脂或環氧樹脂等材料，固體顆粒采用鎢粉作 為填料，鎢粉占復合材料的總體積的5％～25％；優選的，匹配層由環氧樹脂和鎢粉組成的 復合材料填充，鎢粉占復合材料的總體積的15％；可根據待檢查對象的需要調節鎢粉體積分 數，使得匹配材料與待檢查對象的聲阻抗差達到最小。當鎢粉體積分數從0增加到15％時， 聲阻抗從3.065MRayl增加到5.609MRayl；對鎢粉進行120℃高溫退火處理后，阻抗值達到 6.693MRayl，能夠很好滿足高頻超聲波探頭的要求。

所述背襯層包括板狀石墨烯支撐框架，板狀石墨烯框架設有多行與壓電層平行、用于填 充背襯材料的方形框，在板狀石墨烯支撐框架的方形框中填充背襯材料。

優選的，處于同一行的方形框等間距排列，且相鄰兩行的方形框呈對應空位的交錯排 列。