CN113969039B - 一种利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法是由Fe2O3粉末、环氧树脂和固化剂制备超声探头的背衬层。通过调节Fe2O3含量控制背衬层声学特性，进而提高超声探头性能。本发明的目的在于提供利用Fe2O3改性超声探头背衬层声学特性的方法，具有成本低、易操作、抗腐蚀和可减小二次反射波对接收信号的影响，在提高声发射传感器提取有用信息和应用于工作环境恶劣的土木工程监测领域具有广泛的应用前景。

Description

一种利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法
技术领域
本发明涉及声发射传感器、无损检测和结构健康监测领域，具体涉及一种利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法。
背景技术
声发射检测技术是一种具有灵敏度高、受工作环境影响小和实时动态响应的无损检测技术，对土木工程结构（桥梁、道路、大坝和隧道等）的健康监测具有提前预警、避免危害发生的作用。目前声发射传感器多采用金属外壳、空气或阻尼系数较大的质量快作为传感器背衬材料，存在价格昂贵、受反射回的二次波影响信号易失真和抗腐蚀能力差的问题。因此，直接利用含有Fe2O3填充颗粒的环氧树脂作为背衬材料，通过控制环氧树脂基体中Fe2O3的含量改善背衬层材料的声学特性。
声发射是一种弹性波，它是指结构在内力或外力的作用下，内部产生损伤、变形和应力集中的现象，累积到一定程度的能量以弹性波的形式释放出来。声发射传感器是一种接收该类弹性波信号的超声探头，是感知和获取声发射信号的重要工具。
环氧树脂材料具有易成型、价格便宜、抗腐蚀能力强和较高的力学性能，通过控制环氧树脂基体中掺入颗粒，能够改善该材料的声学特性。在制备声发射传感器和吸波材料领域具有很高的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法，具有成本低、易操作、抗腐蚀和可减小二次反射波对接收信号的影响，在提高声发射传感器提取有用信息和应用于工作环境恶劣的土木工程监测领域具有广泛的应用前景。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法是由Fe2O3粉末、环氧树脂和固化剂制备超声探头的背衬层。通过调节Fe2O3含量控制背衬层声学特性，进而提高超声探头性能。
将环氧树脂和固化剂在玻璃烧杯中按4：1的比例混合，利用玻璃棒搅拌4分钟以上；优选地，搅拌混合的速度为80-120 r/min，搅拌时间为5-10 min。
在环氧树脂混合溶液中加入适量（以10%-60%为例）Fe2O3粉末，将装有混合溶液的烧杯放入超声清洗仪中边搅拌边超声功率99W，分散15 min以上。
将分散均匀的混合溶液放入真空泵中，抽真空10-15 min，排除混合溶液中产生的气泡。
准备内径为Φ20×50 mm，壁厚为8 mm的圆柱形模具，利用无水乙醇将模具内外表面清理干净，避免异物对材料性能的影响。
在模具内表面均匀涂抹一层脱模剂；
将模具放在水平桌面上，然后将抽完真空的混合溶液倒入模具中，并且在常温（25±5℃）环境下静置4h左右，直到环氧树脂完全固化后脱模，得到环氧树脂复合材料。
利用商用声发射传感器、信号发生器和示波器测试声发射信号穿过环氧树脂复合材料时的传播特性。
将该环氧树脂复合材料作为传感器背衬层，用于制备超声探头。
有益效果：
本发明开发了一种利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法。Fe含量在50%的环氧树脂复合材料，二次反射波降为最低，利用其制备的超声探头首波信号明显增大，接收到的声发射信号在95 dB左右，噪音信号下降到29 dB左右。
附图说明
图1 为环氧树脂复合材料声学特性随Fe含量增加变化比较图；
图2为环氧树脂复合材料制备工艺流程图；
图3为不同Fe含量环氧树脂复合材料微观形貌图；
图4为环氧树脂复合材料声学性能测试装置图；
图5为环氧树脂复合材料反射系数随Fe含量变化折线图；
图6为环氧树脂复合材料声阻抗值随Fe含量变化折线图；
图7为不同Fe含量的环氧树脂作为超声探头背衬层所制备的传感器接收声发射信号波形对比图；
图8为超声探头抗噪音干扰能力受背衬层Fe含量影响折线图；
图9为超声探头接收信号声压级受背衬层Fe含量影响折线图；
图10为自制超声探头与商用传感器和钨粉类传感器接收波形衰减对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
（1）准备实验所需原料：Fe2O3、环氧树脂和固化剂；固化剂为锦虹世纪有限公司的灌浆树脂B；
（2）环氧树脂和固化剂按4：1混合，然后按一定比例（10%-60%）加入Fe2O3粉末
（3）将混合浆料超声分散和抽真空，然后注入圆形模具中等待固化，具体工艺流程图如图2所示。
实施例2
（1）取Fe含量不同的样品，共六组。放于离子溅射仪下，对样品表面经行喷金处理。
（2）在扫描电镜下观察Fe含量对材料微观形貌的影响，如图3所示。该图展示了Fe含量的增加促进了材料的致密性、减小了材料中的气孔，Fe含量大于50%时Fe2O3颗粒出现团聚现象。
实施例3
（1）利用商用声发射传感器、信号发生器、示波器和计算机等设备搭建了一个测试环氧树脂复合材料声学特性的简易装置，如图4所示。
（2）图5为环氧树脂复合材料反射系数随Fe含量增加而变化曲线图，表明环氧树脂复合材料透射系数随着Fe含量的增加而逐渐减小。
（3）图6为环氧树脂复合材料声阻抗值随Fe含量增加而变化曲线图，表明环氧树脂复合材料声阻抗值随着Fe含量的增加而逐渐增加。
实施例4
（1）将该环氧树脂复合材料作为传感器背衬层制备成超声探头。
（2）利用具有不同背衬层的超声探头分别接收一个类型相同、大小相同和距离相同的声发射信号。
（3）图7为6个具有不同背衬层的超声探头接收到同一声发射信号波形比较图。表明背衬层中Fe含量增加，超声探头接收到的声发射信号受回波影响减小。
（4）图8为6个具有不同背衬层的超声探头在同一测试环境下接收同一声发射信号时，环境噪声对探头的影响变化图。表明Fe含量为50%时，探头接收到的信号中噪音信号值最小，分辨率最高。
（5）图9为6个具有不同背衬层的超声探头在同一测试环境下接收同一声发射信号时，探头接收到的信号声压值变化图。表明Fe含量为50%时，探头接收到的信号声压值最大，分辨率最高。
（6）图10为Fe含量为50%的自制超声探头与商用传感器和钨粉作为背衬层填充物制备的传感器接收信号波形对比图。表明Fe含量为50%的自制声发射传感器接收信号衰减明显，几乎没有二次反射波的影响，与另外两类传感器相比，分辨力和信噪比明显提高。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用Fe2O3改性超声探头背衬层的方法，其特征在于，环氧树脂和固化剂按质量4：1搅拌混合成环氧树脂混合溶液，然后加入环氧树脂混合溶液质量的50%的Fe2O3粉末将混合浆料超声分散和抽真空，然后注入圆形模具中固化，得到超声探头背衬层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的固化剂为锦虹世纪有限公司的灌浆树脂B，固化环境为25±5℃，固化时间为4h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的超声功率为99W，超声分散时间为15min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的搅拌混合的速度为80-120 r/min，搅拌时间为5-10 min。
5.一种权利要求1-4任一项所述的方法制成的超声探头背衬层。
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