CN105907012B - 一种阻尼材料及其制备方法、及压电陶瓷超声波探头 - Google Patents

一种阻尼材料及其制备方法、及压电陶瓷超声波探头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阻尼材料及其制备方法、及压电陶瓷超声波探头，其中阻尼材料按重量份数配比包括高分子聚合物60‑120份，片状结构无机填料30‑60份，球状结构无机填料5‑15份，硅烷类助剂0.5‑5份，溶剂10‑30份。本发明提供的阻尼材料，能有效避免现有阻尼材料因钨粉含量增加导致固化时间长和导电的不足，同时也能避免阻尼块与压电陶瓷晶片粘结形成的中间层引起的对超声信号的干扰；不仅固化时间稳定、不导电，而且表现出更高的阻尼系数；通过灌注法用于压电陶瓷超声波探头，可大大增加压电陶瓷晶片的振动阻尼，缩短压电陶瓷晶片的振动时间，有利于压电陶瓷晶片对回波信号的吸收，提高超声波检测多层胶接结构缺陷的分辨力。

Description

一种阻尼材料及其制备方法、及压电陶瓷超声波探头
技术领域
本发明涉及一种阻尼材料，特别是涉及一种阻尼材料及其制备方法、及压电陶瓷超声波探头，属于超声波检测技术领域。
背景技术
胶粘剂连接(简称胶接)与焊接、铆接及螺栓连接相比具有结构质量小，应力分布均匀，胶接面表面光滑与空气动力学性能好等优点，且可连接不同厚度与不同材质，其应用领域越来越广泛，如车窗玻璃粘接、密封、零部件粘接等。胶接质量受实际生产过程诸多因素影响，胶接件在服役过程中因受环境、载荷及振动疲劳等因素作用可能出现老化、裂纹、粘附层破坏、粘结层内聚破坏等现象。如何利用无损检测技术检测多层胶接结构中存在的缺陷一直是国内外研究的热点。诸多无损检测技术中，超声检测具有技术成熟、检测灵敏度高、对人体无害和易于实现自动化扫描成像检测等优点。
超声波检测是利用超声波在固体中的传播特性——在缺陷或界面处产生反射和透射，完好部位与缺陷部位信号强度有显著不同，据此可判断胶接结构内部缺陷。超声检测系统最重要的组件是超声波探头，其作用是产生和吸收超声波，超声波探头的性能直接影响到超声波的检测能力。超声波探头是利用压电陶瓷晶片的逆压电效应发射超声波，利用正压电效应接收超声波。压电陶瓷晶片在高压脉冲激励下产生振动，由于惯性作用振动在一段时间内不易停止，持续的振动会妨碍晶片对回波信号的接收，降低分辨力。为减少晶片持续振动，通用措施是在压电陶瓷晶片或楔块后面粘附阻尼块，目的是增大压电陶瓷晶片的振动阻尼，缩短晶片的振动时间，有利于晶片对回波信号的接收，提高分辨力。
公知技术中，超声波压电陶瓷探头阻尼层通常采用钨粉与环氧树脂按一定比例配制而成，随着阻尼体系中钨粉含量的增加，阻尼层的声阻抗和衰减系数均有所增加。但钨粉含量增加，一方面会使阻尼层固化时间延长，另一方面会增加阻尼层的高频电导性，影响探头的高频使用性能。
为克服现有阻尼材料因钨粉含量增加而导致固化时间长的不足，常将其预先制备成阻尼块，再用环氧树脂将阻尼片与压电陶瓷晶片粘结在一起。如果环氧树脂粘结层不够薄，相当于在压电陶瓷晶片与阻尼层之间增加了一个中间层，两侧均会对超声波产生发射作用，额外增加超声检测盲区。
而且，对于多层胶接结构，超声波信号表现为在单层结构中的上下界面间反复传播反射以及不同层间的透射-反射信号的叠加，信号更复杂，对超声波探头分辨信号的能力提出了更高的要求。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种阻尼材料及其制备方法、及压电陶瓷超声波探头，特别适用于多层胶接结构缺陷超声检测。
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种阻尼材料，能有效避免现有阻尼材料因钨粉含量增加导致固化时间长和导电的不足，同时也能避免阻尼块与压电陶瓷晶片粘结形成的中间层引起的对超声信号的干扰。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种操作简单、制作容易、安全可靠的阻尼材料的制备方法；本发明所要解决的又一个技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的压电陶瓷超声波探头，能克服目前超声波无损检测系统中的用于超声探头上的阻尼层的缺陷，大幅增加压电陶瓷晶片的振动阻尼和提高检测准确性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种阻尼材料，按重量份数配比，包括，高分子聚合物60-120份，片状结构无机填料30-60份，球状结构无机填料5-15份，硅烷类助剂0.5-5份，溶剂10-30份。
本发明进一步设置为：所述高分子聚合物60份，片状结构无机填料60份，球状结构无机填料8份，硅烷类助剂1份，溶剂30份。
本发明进一步设置为：所述高分子聚合物80份，片状结构无机填料50份，球状结构无机填料5份，硅烷类助剂1份，溶剂20份。
本发明进一步设置为：所述高分子聚合物为聚丙烯酸树脂、聚丙烯酸树脂共聚物、环氧树脂或聚氨酯树脂中的至少一种。
本发明进一步设置为：所述片状结构无机填料为云母、火山灰或蛭石中的至少一种，片状结构无机填料的粒径介于0.1-250μm。
本发明进一步设置为：所述球状结构无机填料为碳酸钙、二氧化硅、硅灰或滑石中的至少一种，球状结构无机填料的粒径介于0.05-100μm。
本发明进一步设置为：所述硅烷类助剂为KH550、KH560、KH570或KH792中的至少一种。
本发明进一步设置为：所述溶剂为丙酮、二甲苯、甲苯和醋酸丁酯中的至少一种。
本发明还提供一种阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
1)填料混合；
称取片状结构无机填料30-60份，球状结构无机填料5-15份，置入粉体分散器中均匀混合，得到均匀粉状混合填料；
2)助剂分散；
称取硅烷类助剂0.5-5份，转入到10-30份的溶剂中，高速搅拌，转速控制在200～500转/分钟，形成硅烷类均匀分散系；
3)填料分散；
称取高分子聚合物60-120份，将步骤1)所得的均匀粉状混合填料逐步转入到高分子聚合物中，高速搅拌，转速控制在300～2000转/分钟，进行填料分散搅拌；
4)加入硅烷类均匀分散系；
在步骤3)的搅拌过程中缓慢加入步骤2)所得的硅烷类均匀分散系；
5)制备得阻尼材料；
待所有制备用物料全部加完，继续搅拌，转速控制在1000～3000转/分钟，制备得阻尼材料。
本发明还提供一种压电陶瓷超声波探头，用于多层胶接结构缺陷超声检测，包括金属壳，均设置于金属壳的铜套、保护膜、压电陶瓷晶片、阻尼材料、导线、接线片和导电螺杆；所述阻尼材料采用前述的阻尼材料，或者，采用前述阻尼材料的制备方法制得的阻尼材料。
其中，所述金属壳的一端开口，金属壳的另一端开设有供导电螺杆贯穿的通孔；所述铜套的一端开口，铜套的另一端开设有供接线片封闭的安装孔；所述铜套内设于金属壳，铜套的开口面内嵌于金属壳的开口面并保持齐平。
而且，所述保护膜封闭于铜套的开口面，所述压电陶瓷晶片设置于保护膜上，所述阻尼材料填充在铜套内，压电陶瓷晶片将保护膜和阻尼材料隔开、并通过导线与接线片相连；所述导电螺杆的一端贯穿进通孔与接线片相连，导电螺杆的另一端延伸出金属壳。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的阻尼材料采用高分子聚合物为涂料基体，无机非金属材料为主要功能填料，能有效避免现有环氧树脂+钨粉体系因钨粉含量增加而导致的固化时间延长的不足，同时也能避免阻尼材料导电性增加，本发明的阻尼材料固化时间稳定、不导电。
2、本发明提供的阻尼材料采用具有片状结构和球状结构的无机物为填料，表现出较常见阻尼材料更高的阻尼系数。
3、本发明提供的阻尼材料属于涂料体系，可避免块状阻尼材料因粘结形成的中间层，通过灌注法(即填充法)用于压电陶瓷超声波探头可具备高分辨力。
4、本发明提供的阻尼材料的制备方法，操作简单、制作容易、安全可靠，有利于规模化高效连续生产。
5、本发明提供的压电陶瓷超声波探头，采用具有优良的阻尼吸声特性的阻尼材料制成，将阻尼材料填充于探头中的压电陶瓷晶片或楔块后面，可大大增加压电陶瓷晶片的振动阻尼，缩短压电陶瓷晶片的振动时间，有利于压电陶瓷晶片对回波信号的吸收，提高超声波检测多层胶接结构缺陷的分辨力。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明一种阻尼材料中片状结构无机填料的样貌图；
图2为本发明一种阻尼材料中球状结构无机填料的样貌图；
图3为本发明一种阻尼材料中片状结构无机填料和球状结构无机填料组合后的结构示意图；
图4为本发明一种阻尼材料的制备方法的流程图；
图5为本发明一种压电陶瓷超声波探头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种阻尼材料，按重量份数配比，包括，高分子聚合物60-120份，片状结构无机填料30-60份，球状结构无机填料5-15份，硅烷类助剂0.5-5份，溶剂10-30份。
所述高分子聚合物为聚丙烯酸树脂、聚丙烯酸树脂共聚物、环氧树脂或聚氨酯树脂中的至少一种。
所述片状结构无机填料为云母、火山灰或蛭石中的至少一种，片状结构无机填料的粒径介于0.1-250μm，如图1所示。
所述球状结构无机填料为碳酸钙、二氧化硅、硅灰或滑石中的至少一种，球状结构无机填料的粒径介于0.05-100μm，如图2所示。
所述硅烷类助剂为KH550、KH560、KH570或KH792中的至少一种。
所述溶剂为丙酮、二甲苯、甲苯和醋酸丁酯中的至少一种。
本发明经配比制得的阻尼材料是选择具有片状结构和球状结构的无机材料为填料，高分子聚合物为基体，可采用共混法制备多层胶接结构缺陷超声检测压电陶瓷探头用阻尼材料。片状结构无机材料，比表面积大，将其作为功能填料加入到阻尼浆体系中可以形成多界面。由于无机材料料与高分子聚合物基体材料的密度及刚度等不同，在外界激励(振动)作用下片状填料与基体材料运动不一致，因“相对运动”产生摩擦而导致能量耗散，表现为高损耗因子。当将片状结构和球状结构的无机填料进行组合时，可形成图3所示结构。由于片状材料与球状材料在阻尼层受到外力作用时产生相对运动，片状颗粒与球状颗粒的运动可增加滚动摩擦的形式，更有利于功能填料与基体之间产生摩擦，从而表现为更优的阻尼损耗特性；所以将本发明所制得的阻尼材料用于压电陶瓷探头，可大幅提高探头检测多层胶接结构缺陷的分辨力。
本发明还提供一种阻尼材料的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
1)填料混合；
称取片状结构无机填料30-60份，球状结构无机填料5-15份，置入粉体分散器中均匀混合，得到均匀粉状混合填料；
2)助剂分散；
称取硅烷类助剂0.5-5份，转入到10-30份的溶剂中，高速搅拌，转速控制在200～500转/分钟，形成硅烷类均匀分散系；
3)填料分散；
称取高分子聚合物60-120份，将步骤1)所得的均匀粉状混合填料逐步转入到高分子聚合物中，高速搅拌，转速控制在300～2000转/分钟，进行填料分散搅拌；
4)加入硅烷类均匀分散系；
在步骤3)的搅拌过程中缓慢加入步骤2)所得的硅烷类均匀分散系；
5)制备得阻尼材料；
待所有制备用物料全部加完，继续搅拌，转速控制在1000～3000转/分钟，制备得阻尼材料。
在常压下，采用上述阻尼材料的制备方法，分别按照表1中所示的组分实际重量份数制备阻尼材料，具体如表1中所示的实施例01至实施例10，并对阻尼因子(即阻尼系数)进行了监测；从表1中可以看出，与现有环氧树脂+钨粉阻尼体系，本发明制得的阻尼材料基本具有更高的阻尼系数。
表1
本发明还提供一种压电陶瓷超声波探头，如图5所示，用于多层胶接结构缺陷超声检测，包括金属壳1，均设置于金属壳1的铜套2、保护膜3、压电陶瓷晶片4、阻尼材料5、导线6、接线片7和导电螺杆8；所述阻尼材料采用本发明提供的阻尼材料。
所述金属壳1的一端开口，金属壳1的另一端开设有供导电螺杆8贯穿的通孔；所述铜套2的一端开口，铜套2的另一端开设有供接线片7封闭的安装孔；所述铜套2内设于金属壳1，铜套2的开口面内嵌于金属壳1的开口面并保持齐平。
所述保护膜3封闭于铜套2的开口面，所述压电陶瓷晶片4设置于保护膜3上，所述阻尼材料5填充在铜套2内，压电陶瓷晶片4将保护膜3和阻尼材料5隔开、并通过导线6与接线片7相连；所述导电螺杆8的一端贯穿进通孔与接线片7相连，导电螺杆8的另一端延伸出金属壳1。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种压电陶瓷超声波探头，用于多层胶接结构缺陷超声检测，其特征在于：包括金属壳，均设置于金属壳的铜套、保护膜、压电陶瓷晶片、阻尼材料、导线、接线片和导电螺杆；所述阻尼材料按重量份数配比，包括，高分子聚合物60-120份，片状结构无机填料30-60份，球状结构无机填料5-15份，硅烷类助剂0.5-5份，溶剂10-30份；
所述片状结构无机填料为云母、火山灰或蛭石中的至少一种，片状结构无机填料的粒径介于0.1-250μm；
所述球状结构无机填料为碳酸钙、二氧化硅、硅灰或滑石中的至少一种，球状结构无机填料的粒径介于0.05-100μm；
或者，所述阻尼材料采用根据一种阻尼材料的制备方法制得的阻尼材料；
所述一种阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：
1）填料混合；
称取片状结构无机填料30-60份，球状结构无机填料5-15份，置入粉体分散器中均匀混合，得到均匀粉状混合填料；
2）助剂分散；
称取硅烷类助剂0.5-5份，转入到10-30份的溶剂中，高速搅拌，转速控制在200～500转/分钟，形成硅烷类均匀分散系；
3）填料分散；
称取高分子聚合物60-120份，将步骤1）所得的均匀粉状混合填料逐步转入到高分子聚合物中，高速搅拌，转速控制在300～2000转/分钟，进行填料分散搅拌；
4）加入硅烷类均匀分散系；
在步骤3）的搅拌过程中缓慢加入步骤2）所得的硅烷类均匀分散系；
5）制备得阻尼材料；
待所有制备用物料全部加完，继续搅拌，转速控制在1000～3000转/分钟，制备得阻尼材料；
所述金属壳的一端开口，金属壳的另一端开设有供导电螺杆贯穿的通孔；所述铜套的一端开口，铜套的另一端开设有供接线片封闭的安装孔；所述铜套内设于金属壳，铜套的开口面内嵌于金属壳的开口面并保持齐平；
所述保护膜封闭于铜套的开口面，所述压电陶瓷晶片设置于保护膜上，所述阻尼材料填充在铜套内，压电陶瓷晶片将保护膜和阻尼材料隔开、并通过导线与接线片相连；所述导电螺杆的一端贯穿进通孔与接线片相连，导电螺杆的另一端延伸出金属壳。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声波探头，其特征在于：所述高分子聚合物60份，片状结构无机填料60份，球状结构无机填料8份，硅烷类助剂1份，溶剂30份。
3.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声波探头，其特征在于：所述高分子聚合物80份，片状结构无机填料50份，球状结构无机填料5份，硅烷类助剂1份，溶剂20份。
4.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声波探头，其特征在于：所述高分子聚合物为聚丙烯酸树脂、聚丙烯酸树脂共聚物、环氧树脂或聚氨酯树脂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声波探头，其特征在于：所述硅烷类助剂为KH550、KH560、KH570或KH792中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声波探头，其特征在于：所述溶剂为丙酮、二甲苯、甲苯和醋酸丁酯中的至少一种。
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填料对车用阻尼涂料阻尼隔声性能的影响;罗娟 等;《现代涂料与涂装》;20130920;第16卷(第9期);16-19 *

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