[發明專利]一種定量控制壓電陶瓷球殼表面纖維層聲阻抗和徑向應力的方法

在審

• 申請號: 202211424358.8
• 申請日: 2022-11-15
• 公開（公告）號: CN115802863A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 黃世峰;張曉芳;郭瑞;劉通;林秀娟;楊長紅;程新
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H10N30/084
• 分類號: H10N30/084;H10N30/02
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 王翠翠

本發明提供一種定量控制壓電陶瓷球殼表面纖維層聲阻抗和徑向應力的方法，包括通過纖維與纖維粘結劑的種類和體積比確定纖維層的聲阻抗，通過纖維粘結劑層的厚度和預應力需求確定熱壓成型容器中的壓力，進而實現預應力的施加與纖維層固化的工藝。本發明可以利用纖維材料包覆壓電陶瓷球殼，通過熱壓成型實現壓電陶瓷球殼表面徑向預應力的定量控制，具備設備要求低、方法簡單、適用范圍廣等優勢。

技術領域

本發明涉及超聲波傳感器技術領域，具體涉及一種定量控制壓電陶瓷球殼表面纖維層聲阻抗和徑向應力的方法。

背景技術

壓電陶瓷具有獨特的機電互換特性，在制備為超聲波傳感器后，被廣泛用于醫療、在超聲探測領域具有廣泛的應用價值。當壓電陶瓷制備為球殼形狀時，具有大指向性開角，有利于用最少的換能器和最簡單的布局實現全域無盲區檢測。為了提高壓電陶瓷球殼的探測距離，需要提高其聲學發射能力。一種有效的方式為通過提高施加到壓電陶瓷球殼表面的電壓。然而壓電陶瓷抗張能力較低，電壓過過大，易產生脆性斷裂。通過施加預應力來提高壓電陶瓷球殼的機械極限可以有效提高壓電陶瓷球殼的聲學發射能力。

同時，壓電陶瓷的聲阻抗通常遠大于其應用媒介，如水、空氣或皮膚，導致復雜的聲學反射，造成聲能損失。增加纖維層時，復合壓電陶瓷球殼的聲阻抗有效降低，可以降低壓電陶瓷與目標媒介之間的聲阻抗失配，進而提高到達應用媒介的聲能。

發明內容

針對已有的壓電陶瓷球殼自身抗張強度低，且壓電陶瓷與應用媒介間聲阻抗失配的缺陷，本發明提供一種利用熱壓成型在壓電陶瓷球殼表面定量控制纖維層聲阻抗和徑向應力的方法。利用纖維和纖維粘結劑體積比定量控制壓電陶瓷圓管表面纖維層的聲阻抗，有利于降低壓電陶瓷與應用媒介間的阻抗失配，利用熱壓成型定量控制壓電陶瓷表面的徑向預應力，有利于提高換能器的聲學發射能力。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種定量控制壓電陶瓷球殼表面纖維層聲阻抗和徑向應力的方法，包括以下步驟：

（1）確定壓電陶瓷球殼的尺寸，查詢壓電陶瓷和使用媒介的聲阻抗，進而明確纖維層聲阻抗的取值范圍。取中間值為最優纖維層聲阻抗，根據纖維層聲阻抗確定纖維和纖維粘結劑的種類及其體積比；

（2）配置纖維粘結劑，按照纖維和纖維粘結劑的體積比將纖維布浸潤到纖維粘結劑中；

（3）利用硬質模具將球殼補充為完整球體，并利用孔隙粘結劑黏結縫隙，以免纖維粘結劑溢流至內腔，污染內壁；

（4）將浸潤了纖維粘結劑的纖維均勻包覆在壓電陶瓷球殼表面；

（5）利用高彈性材料包覆纖維層和硬質模具，促使纖維與壓電陶瓷球殼緊密接觸；

（6）根據纖維的厚度、壓電陶瓷球殼的外半徑、纖維和纖維粘結劑的體積比，確定纖維粘結劑的預期厚度；

（7）根據預期預應力需求，確定熱壓成型容器需要達到的壓力值；

（8）將纖維包覆的壓電陶瓷球殼置入熱壓成型容器，設置壓力值、固化溫度和固化時間；

（9）固化完成后，拆除纖維層表面的彈性包覆膜，清除孔隙粘結劑和模具。

優選地，所述的步驟（1）中纖維層的聲阻抗Z介于壓電陶瓷的聲阻抗 Z_c和目標媒介Z_m之間，且滿足：

,

通常取中間值 為最優纖維層聲阻抗值。

優選地，所述的步驟（1）中纖維的種類為玻璃纖維、尼龍纖維、碳纖維或芳綸纖維。

優選地，所述的步驟（1）中纖維粘結劑為環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、聚丙烯酸樹脂或聚氯乙烯樹脂。

優選地，所述的步驟（1）中纖維和纖維粘結劑的體積比的確定方法為：

①查詢纖維的聲速和密度，計算其聲阻抗 :

②查詢纖維粘結劑的聲速 和密度，計算其聲阻抗 :