[发明专利]一种阻抗梯度声匹配层材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种阻抗梯度声匹配层材料及其制备方法。其技术方案是：先以50～90wt％的树脂和10～50wt％的多层空心球为原料，外加所述原料20～30wt％的固化剂和1～5wt％的添加剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料浇注成型，在室温条件下自然干燥8～10h，脱模，在60～120℃条件下烘烤24～30h，即得阻抗梯度声匹配层材料。本发明工艺简单、体积密度可控、厚度可控和连续生产，制备的阻抗梯度声匹配层材料的厚度可加工、重量轻、高效和宽带导通，阻抗梯度高，能满足高性能超声换能器声匹配层阻抗要求，适用于航空航天、汽车、医学等领域。

技术领域

本发明属于声匹配层材料技术领域。具体涉及一种阻抗梯度声匹配层材料及其制备方法。

背景技术

超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将声信号转换为电信号的能量转换器件，超声换能器是基础和关键的声学部件之一。超声换能器主要包括包括外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬和引出电缆。通过设计合理的声匹配层，能使人体检测目标和压电晶片之间的声能透过率得到大幅度提高，实现声阻抗过渡或匹配，使换能器的频带得到展宽、灵敏度得到提高和失真得到减小。匹配层对超声换能器的性能起着至关重要的作用，各国科技工作者一直不断地努力寻求理想超声换能器声匹配层材料。

我国单晶制作的超声换能器的带宽具有超过110％的潜力，可望极大地提高超声换能器的分辨率和灵敏度。但是相比之下，传统声匹配材料(带宽<80％)设计已无法满足要求，为使弛豫铁电单晶能够发挥出它的优势，高效、宽带(>110％)导通的透声(匹配)材料是必不可少的，而且也是突破超声换能器技术的瓶颈。

牛今丹等人(牛今丹，超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[D].哈尔滨工业大学,2014.)采用刮刀法制备了Al₂O₃/聚合物声匹配材料，特性声阻抗由氧化铝含量5％时的3.75MRayl增加到20％时的4.84MRayl，当氧化铝粉末体积分数增加时声阻抗也随之增加，并且与体积分数成线性正比。哈尔滨工业大学张锐教授课题组(朱棵，超声波换能器声阻抗梯度匹配层理论与方法的研究[D].哈尔滨工业大学,2015.)选用粒径约为5μm的氧化铝粉末和粒径约为2μm的钨粉作为填料、环氧树脂E51作为基体，固化剂为胺类固化剂W93，利用浇铸法和旋涂法制备了不同匹配层的密度、声速、声衰减和声阻抗的匹配层，匹配层的密度和声阻抗均随填料的体积比增加而线性增加，而声速和声衰减的变化规律则不是线性的。以氧化铝作为填料时，匹配层的阻抗可由3.3MRayl变化到6.6MRayl。以钨粉作为填料，阻抗可由6MRayl变化到18MRayl。匹配层的应用形成了从压电材料到目标物的一个过渡，上述研究在单一中(10MRayl>Z_i>3.5MRayl)、高段(Z_i>10MRayl)领域的应用性能较为优异，然而，依然无法满足高效、宽带(>110％)导通。声阻抗梯度材料本身具有高频导通的特性，具有合适阻抗梯度的匹配层能够比目前国际主流使用的单层匹配层更好地提升换能器性能，可以达到高效、宽带(>110％)导通，然而，具有该类特性的填料未能被开发，严重制约超声换能器的性能发展。

“一种超声换能器匹配层及其制造方法”(CN 107107108A)的专利技术，公开了一种厚度由限定的单分散颗粒单层来限定的声匹配材料，该专利技术存在以下缺点：(1)厚度由限定的单分散颗粒单层来限定，导致厚度不可控；(2)单分散颗粒为刚性颗粒，声音传递性能优异，导致超声换能器灵敏度低。“一种尖劈状声匹配层的制作方法”(CN 103796149A)的专利技术，公开了一种以具有尖劈结构的石英微针为模板，通过填装环氧树脂，腐蚀模板等方法制得尖劈状声匹配层，但制备方法十分复杂，并且需要使用氢氟酸溶液，不利于工业生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、体积密度可控和厚度可控的阻抗梯度声匹配层材料的制备方法，用该方法制备的阻抗梯度声匹配层材料具有声阻抗梯度、高频、高效、宽带(>110％)导通的特性。