專利名稱：一種彈性波阻抗匹配與阻尼吸收梯度材料的制備方法
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(gè)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(duì)該頻段彈性波有較高的吸收或衰減系數(shù)。對(duì)上述材料無(wú)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(wú)損檢測(cè)探頭中的阻尼吸收材料為例，在電脈沖激勵(lì)下，其中的壓電晶片同時(shí)向前、后輻射彈性脈沖波。前向輻射的彈性脈沖用于超聲無(wú)損檢測(cè)，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(huì)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(gè)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(duì)晶片背向輻射的阻尼吸收效果，并且整個(gè)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(guò)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(qǐng)?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(diǎn)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(guò)層間會(huì)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(jìn)而獲得波阻抗梯度材料，如申請(qǐng)?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(dòng)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(wú)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= P C，其中P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(guò)控制其中粘滯和散射組分的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。為實(shí)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(shù)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4μπι厚的粘結(jié)劑為標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行干混合，然后逐步將溫度提高到140 160°C，繼續(xù)混合。由于熱塑性酚醛樹(shù)脂中苯酚與甲醛的摩爾比遠(yuǎn)大于1，導(dǎo)致加熱時(shí)甲醛分解的亞甲基“-CH2-”嚴(yán)重不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀交鏈反應(yīng)，因此屬熱塑性樹(shù)脂。熱混的目的是使熱塑性酚醛樹(shù)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°C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 = (P s-p ^D'g/is η其中，V為粉末顆粒的沉降速率；P s和P i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。其次，根據(jù)所制樣品的需要稱取表面已事先包覆粘結(jié)劑的粉末物料，然后將其置于沉降裝置中進(jìn)行沉降，所選擇的沉降液體的粘度能使所沉降的粉末區(qū)分開(kāi)即可。沉降所用的裝置下部連接到所需的模具上，粉末在沉降后將直接落入模具中。由于不同材質(zhì)(或密度)、不同粒度的粉末顆粒之間存在沉降速率差異，經(jīng)過(guò)選定粘度或沉降距離的沉降液， 混合物料中的粉末顆粒將根據(jù)其密度、顆粒度形成連續(xù)的梯度分布，密度大、顆粒粗的粉末將優(yōu)先分布于沉積層的下方；密度小、顆粒細(xì)的粉末則分布于沉積層的上部。通過(guò)調(diào)節(jié)其中粉末顆粒的密度和顆粒分布，控制沉積層各部分的波阻抗和吸收系數(shù)的量值和分布特性， 制備性能符合要求的功能材料。最后，模具中的沉降物料在100°C保溫2小時(shí)脫水干燥、然后置于壓力機(jī)下壓制后重新加熱至180 200°C進(jìn)行高溫固化處理得到成品。高溫固化時(shí)，粉末顆粒熱包覆過(guò)程中添加的六亞甲基四胺(烏洛托品)發(fā)生分解，釋放出足夠數(shù)量的亞甲基(-CH2-)，使重新加熱的酚醛樹(shù)脂得以發(fā)生網(wǎng)狀交鏈反應(yīng)，粉末顆粒之間形成熱固性粘結(jié)，從而保證所制備材料具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。本發(fā)明由于采用了上述對(duì)粉末顆粒與粘結(jié)劑實(shí)施干混合的事先包覆工藝，使得各種粉末顆粒均勻分布和粘結(jié)劑的添加量控制更易于實(shí)現(xiàn)，從而使制備材料的波阻抗值和吸收衰減系數(shù)有更寬的調(diào)節(jié)范圍；本發(fā)明中對(duì)混合粉末物料實(shí)施沉降工藝，使得制備的沉積層中粉末顆粒能夠按其密度、顆粒度具有更理想的梯度分布，徹底消除因分布不連續(xù)對(duì)彈性波產(chǎn)生的層間反射；而采用粉狀熱塑性酚醛樹(shù)脂作為粘結(jié)劑與其它固體顆粒進(jìn)行干混和熱混，并預(yù)伏添加六亞甲基四胺(烏洛托品)作為最終熱固化的固化劑則是上述兩種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)。利用該方法制成的梯度材料中聲阻抗值和聲衰減系數(shù)均為連續(xù)梯度變化的，且該梯度材料一側(cè)為高聲阻抗值低衰減系數(shù)，另一側(cè)為低聲阻抗值高衰減系數(shù)。
具體實(shí)施例方式為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，我們使用鋁粉、鐵粉兩種金屬粉末，其中鐵粉有100目、200 目、300目三種規(guī)格，鋁粉則有200目、600目?jī)煞N規(guī)格。高分子粘結(jié)劑使用酚醛樹(shù)脂，并使用六亞甲基四胺(烏洛托品)用作固化劑。將上述不同種類，不同目數(shù)的金屬粉末與相應(yīng)比例的酚醛樹(shù)脂利用混料器在常溫下進(jìn)行干混合，其中各種金屬粉末中所含的樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100目鐵粉中含樹(shù)脂5%，200目鐵粉中含樹(shù)脂6.5%，300目鐵粉中含樹(shù)脂8%， 200目鋁粉中含樹(shù)脂18%，600目鋁粉中含樹(shù)脂30%。然后逐步將混料器中的溫度提高到 140 160°C，繼續(xù)混合。待粉末顆粒與粘結(jié)劑混合均勻后，降低混料器中的溫度至100 110°C之間，并在此溫度下加入樹(shù)脂粘結(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)塊的物料進(jìn)行粉碎和篩選。將已經(jīng)完成包覆粘結(jié)劑的鐵粉和鋁粉配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成分別為100目鐵粉觀％， 200目鐵粉22%，300目鐵粉22%，200目鋁粉11%，600目鋁粉17%的混合粉末。然后將配制好的混合粉末放置在沉降裝置中進(jìn)行沉降，所用的沉降液為水，20°C下粘度為 IXlO-3Pa-S ，沉降距離為lm，沉降裝置下部連接模具，混合粉末在水中沉降后直接落入模具當(dāng)中。沉降后得到的粉末沉積層中100目的鐵粉在最下部，聲阻抗值最大，600目的鋁粉處在最上部，聲阻抗值最小。在將沉降裝置中的水排出后取出模具，放置于保溫爐中加熱至 100°C保溫2小時(shí)進(jìn)行干燥處理，然后放置于壓力機(jī)下加壓至380MI^壓實(shí)，最后將其加熱至 180°C -200°C并保溫10分鐘使酚醛樹(shù)脂發(fā)生固化，最終得到具備彈性波阻抗匹配和阻尼吸收的梯度材料。經(jīng)過(guò)測(cè)試，其兩端聲阻抗值分別為9X IOfWOii2 .S)和16X 106kg/(m2 .s)， 相應(yīng)的聲衰減系數(shù)分別為2. 98dB/mm和1. 05dB/mm。且聲阻抗值在其內(nèi)部均為連續(xù)過(guò)度，不存在聲波反射界面。
權(quán)利要求
1. 一種彈性波阻抗匹配與阻尼吸收梯度材料的制備方法，包括粉末表面附著粘結(jié)劑、 沉降、壓制和加熱，其特征在于具體步驟如下，(1)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(shù)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4 μ m厚的粘結(jié)劑為標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行干混合，然后逐步將溫度提高到140 160°C，繼續(xù)混合；待粉末顆粒與粘結(jié)劑混合均勻后， 降低溫度至100 110°C之間，并在此溫度下加入粘結(jié)劑重量18%的六亞甲基四胺，繼續(xù)混合，均勻后降至室溫，并將結(jié)塊的物料粉碎、篩選；(2)根據(jù)所制樣品的需要稱取表面已事先包覆粘結(jié)劑的粉末物料，然后將其置于沉降裝置中進(jìn)行沉降，所選擇的沉降液體的粘度能使所沉降的粉末區(qū)分開(kāi)即可；沉降所用的裝置下部連接到所需的模具上，粉末在沉降后將直接落入模具中；通過(guò)調(diào)節(jié)其中粉末顆粒的密度和顆粒分布，控制沉積層各部分的波阻抗和吸收系數(shù)的量值和分布特性，制備性能符合要求的功能材料；(3)模具中的沉降物料在100°C保溫2小時(shí)脫水干燥、然后置于壓力機(jī)下壓制后重新加熱至180 200°C進(jìn)行高溫固化處理得到成品。
全文摘要
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，通過(guò)在不同粒徑、不同材料的粉末表面附著由酚醛樹(shù)脂粘結(jié)劑和樹(shù)脂粘結(jié)劑重量18％的六亞甲基四胺后，放入液體中進(jìn)行沉降，最后將沉降得到的粉末沉積層置于模具中進(jìn)行壓制、烘干和燒結(jié)，最終得到內(nèi)部聲阻抗值和聲衰減系數(shù)均為梯度變化的吸收層材料。由于采用了上述對(duì)粉末顆粒與粘結(jié)劑實(shí)施干混合的事先包覆工藝，使得各種粉末顆粒均勻分布和粘結(jié)劑的添加量控制更易于實(shí)現(xiàn)，從而使制備材料的波阻抗值和吸收衰減系數(shù)有更寬的調(diào)節(jié)范圍；本發(fā)明中對(duì)混合粉末物料實(shí)施沉降工藝，使得制備的沉積層中粉末顆粒能夠按其密度、顆粒度具有更理想的梯度分布，徹底消除因分布不連續(xù)對(duì)彈性波產(chǎn)生的層間反射。
文檔編號(hào)B22F3/02GK102398030SQ20111040588
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者葉超, 李萍, 梁鵬飛, 譚家隆 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)