CN102702724A - 多相复合去耦材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多相复合去耦材料及其制备方法。所述多相复合去耦材料包括柔性材料和添加到柔性材料中的添加物，所述柔性材料是固化前为液态，固化后具有较低杨氏模量的材料，所述添加物选自下列材料中的两种或两种以上：重质颗粒、轻质颗粒、中空玻璃微珠和重质薄片；其中所述重质颗粒是指密度大于104kg/m3的颗粒；所述轻质颗粒是指密度为103kg/m3～104kg/m3的颗粒；所述重质薄片是由质量百分比含量大于80％的重质颗粒和柔性材料复合制备的薄片。本发明通过在柔性材料中添加中空玻璃微珠以及轻、重质颗粒构成三相或多相复合材料，充分利用吸收、散射衰减以及阻抗失配三种方法达到去耦的目的。

Description

多相复合去耦材料及其制备方法
技术领域
本发明属复合材料领域，具体涉及一种利用多相材料制备复合材料从而达到去耦目的，可广泛用于水声换能器阵、隔振、吸声设备等，是减震去耦的新型复合材料。
背景技术
水声换能器阵是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的关键器件。当水声换能器阵的某个或某几个阵元振动发出声信号时，其它阵元用于接收反馈声信号，以达到水声探测目的。通常在这种以压电材料作为敏感元件的超声、水声换能器中，阵元之间以及敏感元件与底座、外壳之间的声和振动耦合，常常影响换能器和基阵的指向性、频率响应和转换效率的重要干扰因素。在连续波多普勒换能器中，发射和接受阵元间的声与振动耦合是此类器件最主要的本底噪声，严重时可导致接收放大器阻塞。解决此类问题最有效的办法就是阵元间添加去耦材料。这时就要尽可能减小阵元间的振动耦合，防止发射用阵元的振动直接传递到接受用阵元上，造成测量误差。
现行的提高去耦材料效果的方法有三种：吸收、散射衰减及阻抗失配。但是，在实际工程中会遇到多种实际问题的限制。首先，实用声学结构的空间和尺寸往往只允许去耦材料以薄层形式存在，这使得利用材料的声衰减和加大厚度的方法不适用。实际上，迄今为止实用的去耦材料几乎都是通过阻抗失配达到去耦目的的。那么由于压电元件以及基座等材料均为高阻抗材料或者中阻抗材料，所以只能选用泡沫塑料、泡沫橡胶、低密度木材和纸制品等疏松多孔物质，但过分疏松又会造成刚度、强度不足，影响换能器性能。
在实际工作方面，美国海军和有关部门在70年代曾比较系统地研究过葱皮纸、Corprene、Sonite和轻木的声学和物理性质，有些已经被用于水声和超声换能器。其中，Corprene是软木粉与氯丁橡胶的复合材料，Sonite是含有少量热固性树脂的多孔、颗粒状、纤维增强陶瓷材料。在国内，水声工程所用去耦材料基本上从聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等硬质泡沫塑料中选择。
但是，随着换能器发射功率的不断增加以及谐振频率的降低，现有的柔性橡胶和添加剂构成的两相复合去耦材料已经不能满足需要。
发明内容
本发明的目的在于弥补了现有去耦材料的不足，提供一种去耦效果更好的多相复合去耦材料。
本发明的多相复合去耦材料，包括柔性材料和添加到柔性材料中的添加物。所述柔性材料是有较好的柔韧性，能够承受较大变形量的材料，其特点是固化前为液态，固化后形成的具有较低杨氏模量(如低于10GPa)的材料，所述添加物选自下列材料中的两种或两种以上：重质颗粒、轻质颗粒、中空玻璃微珠和重质薄片；其中所述重质颗粒是指密度大于104kg/m3，添加到柔性材料中会产生较严重沉底现象的颗粒，通常为重金属颗粒；所述轻质颗粒是指密度在103kg/m3到104kg/m3之间，添加到柔性材料中经搅拌后会均匀分布，不会产生沉底现象的颗粒，通常为轻金属和/或轻金属氧化物颗粒；所述重质薄片是由质量百分比含量大于80％的重质颗粒和柔性材料复合制备的薄片。
上述柔性材料例如聚氨酯、橡胶、环氧树脂等聚合物。
上述重质颗粒例如钨粉、钛粉、硫酸钡颗粒等，粒径通常小于等于100μm。
上述轻质颗粒例如氧化铝颗粒、镍粉等，粒径粒径通常小于等于100μm。
上述中空玻璃微珠粒径在10μm到100μm之间。
上述重质薄片是在抽真空的条件下将重质颗粒混合到液态柔性材料中，固化后得到复合材料块，再将该复合材料块切割成薄片而得。
所述重质薄片可以是较小的薄片，散布在柔性材料中；也可以是较大的薄片，插入到添加有其他添加物的柔性材料中，将添加有其他添加物的柔性材料分割为两部分或更多部分，该薄片的尺寸以灌注去耦材料的空间大小而定，厚度一般应小于灌注空间厚度的一半。
本发明多相复合去耦材料的制备方法是：先将需要散布于柔性材料中的各种添加物混合均匀；然后将这些添加物加入到液态柔性材料中，搅拌均匀，再加入固化剂(如聚氨酯固化用的摩卡、环氧树脂固化用的乙二胺等)搅拌均匀，并抽真空；最后将混合液体缓慢倒入所需灌注缝隙或模具中，根据需要插入或不插入大的重质薄片，固化形成多相复合去耦材料。
对于其中插入有较大重质薄片将柔性材料分割成不同部分的情况，是在灌注柔性材料和添加物的混合液体后，将重质薄片插入其中。
本发明通过在柔性材料中添加中空玻璃微珠以及轻、重质颗粒构成三相或多相复合材料，充分利用吸收、散射衰减以及阻抗失配三种方法达到去耦的目的。
附图说明
图1是实施例1的多相复合去耦材料的结构示意图。
图2是实施例2的多相复合去耦材料的结构示意图。
图3是实施例3的多相复合去耦材料的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明的多相复合去耦材料。
实施例1
本实施例的多相复合去耦材料的结构如图1所示，由柔性材料1(如聚氨酯、橡胶、环氧树脂等)、重质颗粒(钨粉、钛粉、硫酸钡颗粒等)和轻质颗粒(氧化铝、镍粉等)2、中空玻璃微珠3构成。多相复合去耦材料通过灌注工艺完成。首先，根据实际应用所需复合材料属性，设计复合材料中各相材料的质量百分比，根据此百分比精密称量各成分，将除柔性材料外的所有添加材料混合，用搅拌棒均匀沿同一方向搅拌3分钟，使其充分混合。配制柔性材料(如聚氨酯)，将适量柔性材料加入恒温水域内的三口瓶中，封闭三口瓶的左右两口，将真空泵接到中间瓶口，开始抽真空，10分钟后，暂时关闭真空泵，将混合均匀的添加材料倒入三口瓶，搅拌均匀，继续抽真空，10分钟后，将适量固化剂摩卡置于烧杯中，并加热至130℃，直到摩卡全部变为液态，使其自然降温，用温度计观察摩卡温度，当温度将到90～95℃时将摩卡全部倒入三口瓶，搅拌20秒，抽真空1分钟，然后将混合液体缓慢倒入所需灌注缝隙或模具中。将被灌注样品或模具置于温箱内，60℃烘烤24小时固化。固化后形成多相复合去耦材料。此实例适用于可填充去耦材料的缝隙小于等于0.5mm的情况。
实施例2
本实施例的多相复合去耦材料的结构如图2所示，包括柔性材料1(如聚氨酯、橡胶、环氧树脂等)、重质颗粒(钨粉、钛粉、硫酸钡颗粒等)构成的薄片4、中空玻璃微珠3构成。多相复合去耦材料的制备方法同实施例1。其中重质颗粒构成的薄片4是由质量百分比大于80％的重质颗粒(如钨粉)与柔性材料(如环氧树脂)复合而成，其制备工艺与多相复合去耦材料的制备相似，固化后，用精密切割机将整块复合材料切割成薄片，将这些薄片作为添加物添加到柔性材料中，构成多相复合去耦材料，其特点是重质颗粒构成的薄片不均匀地分布于材料中，对声波传播起到散射作用。同时由于其本身具有较高阻抗，所以当声波由声阻抗低的柔性材料传递到声阻抗更高的重质颗粒构成的薄片时，会产生额外的声衰减。此实例适用于可填充去耦材料的缝隙大于等于0.5mm但小于等于1mm的情况。
实施例3
本实施例的多相复合去耦材料的结构如图3所示，由高阻抗重质颗粒构成的薄片4’将由柔性材料1、重质和/或轻质颗粒2与中空玻璃微珠3构成的去耦材料分隔成两部分。其中由高阻抗重质颗粒(钨粉、钛粉、硫酸钡颗粒等)构成的薄片4’的组成和制备同实施例2，而低阻抗柔性材料和添加物组成的去耦材料同实施例1。在此情况下，声波由某个阵元传递到邻近阵元时首先由基元的高阻抗材料传递到去耦材料，经低阻抗柔性材料内的中空玻璃微珠及微粒散射得到衰减。声波再由低阻抗的去耦材料经高阻抗的重质颗粒构成的薄片传递到另一边的去耦材料时，声波要经过两次阻抗失配，所以声波衰减幅度大大提高，更好的起到了隔声作用。如果换能器阵元之间有足够的空间，插入去耦材料中的重质颗粒构成的薄片数量还可进一步增加，以达到更好效果。此实施例适用于可填充去耦材料的缝隙大于1mm情况。
以上通过实施例描述的本发明的多相复合去耦材料及其制备方法，并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和实质范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求书所界定。

Claims (10)

1.一种多相复合去耦材料，包括柔性材料和添加到柔性材料中的添加物，所述柔性材料是固化前为液态，固化后杨氏模量低于10GPa的材料，所述添加物选自下列材料中的两种或两种以上：重质颗粒、轻质颗粒、中空玻璃微珠和重质薄片；其中所述重质颗粒是指密度大于104kg/m3的颗粒；所述轻质颗粒是指密度为103kg/m3～104kg/m3的颗粒；所述重质薄片是由质量百分比含量大于80％的重质颗粒和柔性材料复合制备的薄片。
2.如权利要求1所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述柔性材料是聚合物，选自聚氨酯、橡胶和环氧树脂中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述重质颗粒是重金属颗粒。
4.如权利要求1所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述重质颗粒是钨粉、钛粉和/或硫酸钡颗粒，粒径小于等于100μm。
5.如权利要求1所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述轻质颗粒是轻金属和/或轻金属氧化物颗粒。
6.如权利要求5所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述轻质颗粒是氧化铝颗粒和/或镍粉，粒径小于等于100μm。
7.如权利要求1所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述中空玻璃微珠粒径为10μm～100μm。
8.如权利要求1所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述重质薄片是散布在柔性材料中的小薄片。
9.如权利要求1所述的多相复合去耦材料，其特征在于，所述重质薄片是插入到添加有其他添加物的柔性材料中的大薄片，将添加有其他添加物的柔性材料分割为两部分或更多部分。
10.权利要求1～9任一所述多相复合去耦材料的制备方法，先将需要散布于柔性材料中的各种添加物混合均匀；然后将其加入到液态柔性材料中，搅拌均匀，再加入固化剂搅拌均匀，并抽真空；最后将混合液体缓慢倒入所需灌注缝隙或模具中，根据需要插入或不插入大的重质薄片，固化形成多相复合去耦材料。
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