CN104552718A

CN104552718A - 一种高衰减背衬材料的制备方法

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Publication number: CN104552718A
Application number: CN201410696735.2A
Authority: CN
Inventors: 刘建华; 周丹; 王文娟; 欧阳波
Original assignee: Edan Instruments Inc
Current assignee: Edan Instruments Inc
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: CN104552718B

Abstract

本发明提供了一种高衰减的背衬材料的制备方法及其获得的背衬材料，所述方法包括以下步骤：(100).材料的选取；(101).材料的混合；(102).材料的除气；(103).材料的热压成型。所述背衬材料具有高声衰减性能，提高成像分辨率，同时还具有较高的热传导系数，能够把超声探头在使用过程中所产生的热量很快的传导出去，能够相应的提高超声探头的使用寿命。

Description

一种高衰减背衬材料的制备方法

技术领域

本发明涉及超声换能器技术领域，具体涉及一种高衰减背衬材料的制备方法。

背景技术

超声换能器主要由三部分组成：压电振子3、振子前面的匹配层1、振子后面的背衬层2，如图1所示。从图中可以看出背衬层是超声换能器(特别是医用超声换能器)的重要组成部分，我们对于背衬层的理想需求是其拥有无限大的声衰减(声波在介质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象)系数，这样就能够将压电振子因振动而产生的向后传播的超声波全部在里面吸收掉，而不会反射回来影响成像，同时还能起到阻尼材料的作用即：在压电振子突然停止受到电激励时，能够很快的使压电振子停止振动。因为在压电振子突然停止被电激励时，振子由于惯性振动还不会立刻随着电激励的撤销而停止振动，这样就会影响超声探头的频带宽度从而也就降低了探头的轴向分辨率。

目前现有背衬层的制作方法一般都是采用液态环氧树脂与固体粉末混合利用浇铸的方式制作，或者采用某些金属/合金来制作背衬层。但是两种制作方法在某些方面都存在一些不足即：浇铸制作的背衬层虽然很容易同压电阵子粘结在一起，但是背衬层的声衰减系数与钨含量相关，浇铸法受钨粉在溶剂中溶解度的影响导致成型后钨粉的体积比受到限制，从而使声衰减系数远不能达到我们的需求；而某些高衰减金属背衬又存在着切割、粘结困难的问题。

发明内容

本发明提供了一种高衰减的背衬制备方法，包括以下步骤：

100.材料的选取：选择微米量级的占背衬总体积10％～60％钨粉和占背衬总体积40％～90％聚酯粉；

101.材料的混合：将前述选择的粉末放入混合机械中混合均匀；

102.材料的除气：将混合均匀的粉末置于容器(4)中，去除其中的空气；

103.材料的热压成型：热压件(5)与容器(4)连接，热压件(5)加热至在70℃～150℃下，所述容器(4)内部加压至5MPa～15MPa、热压5min～20min。

具体的优选详细步骤包括：

100.材料的选取，选择微米量级的占背衬总体积10％～60％钨粉和占背衬总体积40％～90％聚酯粉；

钨粉的比例优选为占背衬总体积20％—45％，如果比例小于20％，声衰减系数比较低，如果比例小于45％，热压成型成功的几率比较小。

所述微米量级是指2微米—7微米，优选5微米。

所述聚酯优选为聚氨酯粉末、软聚氯乙烯、聚酰胺中一种或其任意比例的混合物。

所述聚酯材料的玻璃化温度大于65℃，优选70～150℃。

一方面：我们用于制作高衰减的背衬材料的钨粉粉末、聚酯粉末(如聚氨酯粉末、软聚氯乙烯、聚酰胺或其混合物)均为微米量级，这样能够使钨粉同其聚酯粉末充分接触，使其混合均匀(纳米量级的粉末会因为原子间存在着很强的相互作用力而不易混合均匀；而毫米量级的粉末会因为粒径太大而无法混合均匀)。

另一方面：所选择聚酯粉末一定要选取为线性、热塑性聚酯粉末(如果选取的粉末为非线性，粉末就不会随着温度的升高而变软也就达不到我们想要的结果)。本发明直接将钨粉粉末与热塑性聚酯粉末进行混合，操作起来简单方便，既不会在样品制作过程中产生某种有毒/易爆气体也不存在后期一些剩余化学试剂的处理问题。

由于我们的背衬层可用来制作B超探头，因此粉的玻璃化温度应选择在B超探头的允许范围之外：大于65℃。以聚氨酯为例，我们选取玻璃化温度为70～150℃的线性聚氨酯粉末，70～150℃既能够符合后期探头的使用温度又不会使热压机很难达到此温度。

101.材料的混合

将前述选择的粉末分别放入混合机械为球磨罐中，将球磨罐放在球磨机上研磨一段时间至其混合均匀。

此外，为了避免粉末颗粒之间粘接导致形成的颗粒聚合物粒径太大不能满足制备的需要，材料混合后还可以进行筛选。可以根据不同的需求筛选出不同粒径的混合颗粒。优选地是，将已经混合均匀的颗粒放在烘箱中(20～50℃)烘干1.5h后，通过500目筛进行筛选，筛除多个颗粒粘接形成的颗粒。

102.材料的除气

所述热压件5与所述容器(4)的内壁形状相匹配，将上述过筛筛选的混合粉末均匀的放入容器4中。(本发明一种优选模具如图3所示，一种内壁为Φ＝25mm柱状的容器4，且容器4的形状根据背衬所需的形状而定，不限于图中给出的形状)将其放入真空除气机中去除其中的空气。混合颗粒经球磨机球磨后其中会存在很多的空气，需要使用抽真空仪器将空气抽出，使材料压实同时也会提高超声波在其中传播的速度相应就会提高材料的声阻抗。

103.材料的热压成型

在除气之后，将热压件5放入容器4中，将模具放到热压机上面热压成型(模具已经提前均匀的涂抹了脱模剂，这样既能使样品在制备结束后很容易的脱模又能够保证样品表面的光滑度)。本发明一种优选方案如图4所示，热压机的压力显示器6加压至5MPa～15MPa、温度显示器7设置为70℃～150℃，热压5min～20min停止加热但保持压力。

升温过程中，当温度升至热塑性聚酯粉末的玻璃化温度之上时热塑性聚酯粉末会软化，这时软化后的热塑性聚酯粉末会将钨粉颗粒包裹；降温过程中，当温度降至玻璃化温度之下时，软化的聚氨酯会慢慢变硬。这个过程就把本来分散的钨粉颗粒很好的粘接在一起。

本发明一种优选方案为待温度降低至室温后再撤去压在模具上面的压力，这时由于热塑性聚酯粉末是弹性材料会膨胀，会进一步提高材料的声衰减系数。

由于本发明热压法中钨粉与聚酯粉末进行混合，成型后钨粉体积比受限程度小，故而能达到比较高的体积百分比，由于声衰减系数随着钨粉含量增加而升高，从而能获得比较高的声衰减系数。

本发明的另一目的在于提供一种高衰减的背衬材料，所述背衬材料通过前述的制备方法制得。

所述背衬材料通过热压直接粘结在压电晶片上。

前述热压成型的背衬材料，可以直接或者将其粘结在压电晶片上。所述背衬材料远离所述热压件的一面，上述背衬材料制作成任意形状，优选为锯齿形、圆锥形、V形等。

本发明中所述高衰减是指声衰减系数在30dB/cm/MHz—50dB/cm/MHz。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

本发明通过将“钨粉-聚酯”粉末经过热压成型使得背衬层，一方面可以直接将其粘结在压电晶片上，解决了一些背衬材料切割、粘结困难的问题；另一方面此方法还可以将背衬层制作成任意形状(锯齿形、圆锥形、V形等)，这样就会从背衬形状方面更进一步的提升背衬材料的声衰减系数。

同时此方法制作的背衬层还具有较高的热传导系数，能够把超声探头在使用过程中所产生的热量很快的传导出去，这样就能够相应的提高超声探头的使用寿命。

附图说明

图1为超声换能器的结构示意图，图中，振子前面的匹配层1、振子后面的背衬层2、压电振子3；

图2为本发明的高衰减背衬层的制备方法流程图；

图3为本发明的高衰减背衬层所采用的模具示意图，图中，容器4，热压件5。

图4为本发明的高衰减背衬层所采用的热压机仪器示意图，图中，压力显示器6，温度显示器7。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

总实施例：

一种高衰减的背衬制备方法，包括以下步骤，请参照图2—4所示：

100.材料的选取：选择微米量级的占背衬总体积10％～60％钨粉和占背衬总体积40％～90％聚酯粉；所述微米量级是指2微米—7微米。所述聚酯优选为聚氨酯粉末、软聚氯乙烯、聚酰胺中一种或其任意比例的混合物。所述聚酯材料的玻璃化温度大于65℃，优选70～150℃。

此外，为了避免粉末颗粒之间粘结导致形成的颗粒聚合物粒径太大不能满足制备的需要，材料混合后还可以进行筛选。可以根据不同的需求筛选出不同粒径的混合颗粒。优选地是，将已经混合均匀的颗粒放在烘箱中(20～50℃)烘干1.5h后，通过500目筛进行筛选，筛除多个颗粒粘接形成的颗粒。

102.材料的除气：将混合均匀的粉末置于容器(4)中，使用抽真空仪器将空气抽出，去除其中的空气；

具体的，将其放入真空除气机中去除其中的空气。混合颗粒经球磨机球磨后其中会存在很多的空气，需要使用抽真空仪器将空气抽出，使材料压实同时也会提高超声波在其中传播的速度相应就会提高材料的声阻抗。

103.材料的热压成型：热压件(5)与容器(4)连接，所述热压件(5)与所述容器(4)内壁形状相匹配，将上述过筛筛选的混合粉末均匀的放入容器(4)中，热压件(5)加热至在70℃～150℃，容器(4)内部加压至5MPa～15MPa、热压5min～20min。

实施例1一种高衰减的背衬制备方法，包括以下步骤，请参照图2—4所示：

100.材料的选取：选择微米量级背衬总体积20％钨粉和占背衬总体积80％聚酯粉；

103.材料的热压成型：热压件(5)与容器(4)连接，所述热压件(5)与所述容器(4)内壁形状相匹配，将上述过筛筛选的混合粉末均匀的放入容器(4)中，热压件(5)加热至在70℃下，容器(4)内部加压至5MPa、热压5min。

所述微米量级是指2微米，所述聚酯优选为聚氨酯粉末，玻璃化温度为70℃。

实施例2一种高衰减的背衬制备方法，包括以下步骤，请参照图2—4所示：

100.材料的选取：选择微米量级背衬总体积30％钨粉和占背衬总体积70聚酯粉；

103.材料的热压成型：热压件(5)与容器(4)连接，所述热压件(5)与所述容器(4)内壁形状相匹配，将上述过筛筛选的混合粉末均匀的放入容器(4)中，热压件(5)加热至在150℃下，容器(4)内部加压至15MPa、热压20min。

所述微米量级是指7微米，所述聚酯优选为软聚氯乙烯，玻璃化温度为150℃。

实施例3一种高衰减的背衬制备方法，包括以下步骤，请参照图2—4所示：

100.材料的选取：选择微米量级背衬总体积45％钨粉和占背衬总体积55％聚酯粉；

103.材料的热压成型：热压件(5)与容器(4)连接，所述热压件(5)与所述容器(4)内壁形状相匹配，将上述过筛筛选的混合粉末均匀的放入容器(4)中，热压件(5)加热至在100℃下，容器(4)内部加压至10MPa、热压10min。

所述微米量级是指5微米，所述聚酯优选为聚酰胺粉末，玻璃化温度为100℃。

实施例4—6一种高衰减的背衬制备方法，包括以下步骤，请参照图2—4所示：

实施例4选择微米量级背衬总体积25％钨粉和占背衬总体积75％聚酯粉；

实施例5选择微米量级背衬总体积35％钨粉和占背衬总体积65％聚酯粉；

实施例6选择微米量级背衬总体积40％钨粉和占背衬总体积60％聚酯粉；

其他方法步骤同实施例1。

实施例7本发明的高衰减背衬材料的声学测试：

将制备的背衬材料通过声学测试，结果如下表1所示：

表1

从上表可见，一般钨粉体积比为45％时，其声衰减系数达到较高的水平，而且也可以避免因聚酯粉末太少而导致不易成型。

对照实施例，采用浇铸法制备背衬材料的声学测试：

以聚氨酯为例，将浇铸法制备的背衬通过材料声学测试，结果如下表2所示，各种比例的钨粉-聚氨酯制得的背衬材料均难以达到理想的声衰减系数。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高衰减的背衬材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(100).材料的选取：选择微米量级的占背衬总体积10％～60％钨粉和占背衬总体积40％～90％聚酯粉；

(101).材料的混合：将前述选择的粉末放入混合机械中混合均匀；

(102).材料的除气：将混合均匀的粉末置于容器(4)中，去除其中的空气；

(103).材料的热压成型：热压件(5)与容器(4)连接，热压件(5)加热至在70℃～150℃下，所述容器(4)内部加压至5MPa～15MPa、热压5min～20min。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(100)中，微米量级是指2—7微米，所述聚酯为聚氨酯粉末、软聚氯乙烯、聚酰胺中一种或其任意比例的混合物。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述聚酯材料的玻璃化温度大于65℃。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述聚酯材料的玻璃化温度为70～150℃。

5.根据权利要求1—4任一权利要求所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(102)中，所述热压件(5)与所述容器(4)的内壁形状相匹配。

6.根据权利要求1—4任一权利要求所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(101)中，所述混合机械为球磨机，将选择的粉末放入球磨罐中，将球磨罐放在球磨机上研磨、混合均匀，混合均匀的粉末放在20～50℃烘箱中烘干1.5h后，通过500目筛。

7.根据权利要求1—4任一权利要求所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(103)中，所述模具在热压前其内部均匀涂抹脱模剂。

8.一种高衰减的背衬材料，其特征在于，所述背衬材料通过权利要求1—7任一权利要求所述的制备方法制得。

9.根据权利要求8所述的背衬材料，其特征在于：所述背衬材料远离所述热压件的一面，制作成锯齿形、圆锥形或V形。