CN114487108A - 一种超声换能器匹配层及其制作方法、换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声换能器匹配层，按质量组分包括环氧树脂80份、固化剂28份和氮化铝0‑80份。采用上述技术方案，工艺简单，技术合理，原料成本低廉，当压电复合材料的声阻抗高达16MRayls时，超声波透射系数大幅度提升，可提升至0.51，进而使得超声波透射效率明显提高，可有效提升超声换能器的灵敏度，并且制得的匹配层样品密度均匀分布，透射稳定性好，从而打破超声换能器发展的瓶颈，能够开拓超声换能器的应用领域，对于超声换能器后期的发展至关重要，对于超声换能器后期的发展的意义也非常重大。
Description
技术领域
本发明涉及工业探伤、医疗超声技术领域，具体指一种超声换能器匹配层及其制作方法、换能器。
背景技术
超声换能器是一种能把电信号转换成超声波，并且又能把从人体或其它被检测对象中接收到的超声波反向信号转换成电信号的器件，它被广泛应用于超声诊断领域和超声无损检测领域。
如图1所示，通常超声换能器的结构包括背衬，压电复合材料，匹配层，声透镜。超声换能器利用压电复合材料的压电效应，将电信号转换为超声波，同时能接收超声波再将其转换为电信号，在医疗超声诊断领域应用非常广泛。
在医用超声领域中，压电复合材料的声阻抗在16-30MRayls，而人体组织的声阻抗在1.5MRayls。如果缺少匹配层，超声换能器发出的超声波将在超声换能器与人体皮肤的交界面处反射回来，造成超声波能量的损失。
匹配层的作用主要是解决在压电复合材料和人体组织间的声阻抗不匹配问题，匹配层能提高超声波在界面处的透射效率，进而提高超声换能器的灵敏度。然而，目前市面上的超声换能器匹配层的透射系数一般不超过0.31，从而导致超声换能器的灵敏度达到一个瓶颈，并且一直都无法打破这个瓶颈，使得超声换能器的发展受到了一定的限制。
发明内容
本发明根据现有技术的不足，提出一种超声换能器匹配层及其制作方法、换能器，通过添加氮化铝，从而使得匹配层能更好的提高超声波界面处的透射效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种超声换能器匹配层，按质量组分包括环氧树脂80份、固化剂28份和氮化铝0-80份。
作为优选，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述固化剂为固化剂280B胶。
作为优选，所述氮化铝为粒径不超过1um的颗粒。
本发明还公开了一种超声换能器匹配层的制备方法，步骤包括：
S1、按质量组分比例取环氧树脂、固化剂和氮化铝均匀混合；
S2、置于真空箱中抽真空30-50分钟；
S3、置于恒温环境下固化；
S4、研磨成型。
作为优选，所述步骤S1中，在搅拌机中搅拌10-15分钟，设置搅拌机转速为10000-15000r/min。
作为优选，所述真空箱中真空压力为-100kPa。
作为优选，所述步骤S3中，在恒温50℃的环境下固化12小时。
本发明还公开了一种超声换能器，包括上述超声换能器匹配层制备方法制得的超声换能器匹配层。
本发明具有以下的特点和有益效果：
采用上述技术方案，工艺简单，技术合理，原料成本低廉，当压电复合材料的声阻抗高达16MRayls时，超声波透射系数大幅度提升，可提升至0.51，进而使得超声波透射效率明显提高，可有效提升超声换能器的灵敏度，并且制得的匹配层样品密度均匀分布，透射稳定性好，从而打破超声换能器发展的瓶颈，能够开拓超声换能器的应用领域，对于超声换能器后期的发展至关重要，对于超声换能器后期的发展的意义也非常重大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为超声换能器结构示意图。
图2为本发明实施例中超声换能器匹配层密度随氮化铝质量分数的变化图。
图3为本发明实施例中超声换能器匹配层声速随氮化铝质量分数的变化图。
图4为本发明实施例中超声换能器匹配层声阻抗随氮化铝质量分数的变化图。
图5为本发明实施例中超声换能器匹配层衰减随氮化铝质量分数的变化图。
图6为超声波在单层界面上传播。
图7无匹配层时超声换能器结构示意图。
图8单层匹配层超声换能器结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明提供了一种超声换能器匹配层，按质量组分包括环氧树脂80份、固化剂28份。
进一步的，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述固化剂为固化剂280B胶。
本发明还公开了一种超声换能器匹配层的制备方法，步骤包括：
S1、按质量组分比例取环氧树脂、固化剂均匀混合；
S2、置于真空箱中抽真空30-50分钟；
S3、置于恒温环境下固化；
S4、研磨成型。
可以理解的，所述步骤S1中，在搅拌机中搅拌10-15分钟，设置搅拌机转速为10000-15000r/min。通过搅拌机进行高速搅拌，并持续搅拌10-15分钟，从而确保混合均匀，为后期制备的超声换能器匹配层密度均匀分布，透射的稳定性奠定基础。
进一步的，所述真空箱中真空压力为-100kPa。使得真空箱内有足够的压力，抽取混合物中空气，避免完成搅拌后，有空气残留在混合物中，超声换能器匹配层密度均匀分布，进一步的确保后期制备的超声换能器匹配层的透射率和稳定性。
进一步的，所述步骤S3中，在恒温50℃的环境下固化12小时。通过上述技术方案，从而确保制备的超声换能器匹配层的物理性质稳定。
本发明还公开了一种超声换能器，包括上述超声换能器匹配层制备方法制得的超声换能器匹配层。
具体地，取环氧树脂280A胶8g，标记为A；取固化剂280B胶2.8g，标记为B。将A和B计量后加入到容器中，在搅拌器中混合搅拌10-15min，真空抽气泡30-50min，真空压力为-100kPa。之后放入恒温箱，50℃下固化12h。取出后研磨平整。
如图2-图5所示，测得样品密度：1158kg/m3，声速：2689m/s，声阻抗：3.11MRayls，声衰减：0.7dB/mm。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，取环氧树脂280A胶8g，标记为A；取固化剂280B胶2.8g，标记为B。按质量分数10％取氮化铝颗粒0.8g，标记为C。将A，B，C计量后加入到容器中，在搅拌器中混合搅拌10-15min，真空抽气泡30-50min，真空压力为-100kPa。之后放入恒温箱，50℃下固化12h。取出后研磨平整。其中，所述氮化铝为粒径不超过1um的颗粒。
如图2-图5所示，测得样品密度：1266kg/m3，声速：2722m/s，声阻抗：3.44MRayls，声衰减：1.25dB/mm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，取环氧树脂280A胶8g，标记为A；取固化剂280B胶2.8g，标记为B。按质量分数20％取氮化铝颗粒1.6g，标记为C。将A，B，C计量后加入到容器中，在搅拌器中混合搅拌10-15min，真空抽气泡30-50min，真空压力为-100kPa。之后放入恒温箱，50℃下固化12h。取出后研磨平整。其中，所述氮化铝为粒径不超过1um的颗粒。
如图2-图5所示，测得样品密度：1281kg/m3，声速：2736m/s，声阻抗：3.50MRayls，声衰减：1.31dB/mm.
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，取环氧树脂280A胶8g，标记为A；取固化剂280B胶2.8g，标记为B。按质量分数30％取氮化铝颗粒2.4g，标记为C。将A，B，C计量后加入到容器中，在搅拌器中混合搅拌10-15min，真空抽气泡30-50min，真空压力为-100kPa。之后放入恒温箱，50℃下固化12h。取出后研磨平整。其中，所述氮化铝为粒径不超过1um的颗粒。
如图2-图5所示，测得样品密度：1322kg/m3，声速：2751m/s，声阻抗：3.63MRayls，声衰减：1.29dB/mm.
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，取环氧树脂280A胶8g，标记为A；取固化剂280B胶2.8g，标记为B。按质量分数40％取氮化铝颗粒3.2g，标记为C。将A，B，C计量后加入到容器中，在搅拌器中混合搅拌10-15min，真空抽气泡30-50min，真空压力为-100kPa。之后放入恒温箱，50℃下固化12h。取出后研磨平整。其中，所述氮化铝为粒径不超过1um的颗粒。
如图2-图5所示，测得样品密度：1365kg/m3，声速：2755m/s，声阻抗：3.76MRayls，声衰减：1.44dB/mm.
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，取环氧树脂280A胶8g，标记为A；取固化剂280B胶2.8g，标记为B。按质量分数50％取氮化铝颗粒4g，标记为C。将A，B，C计量后加入到容器中，在搅拌器中混合搅拌10-15min，真空抽气泡30-50min，真空压力为-100kPa。之后放入恒温箱，50℃下固化12h。取出后研磨平整。其中，所述氮化铝为粒径不超过1um的颗粒。
如图2-图5所示，测得样品密度：1404kg/m3，声速：2769m/s，声阻抗：3.89MRayls，声衰减：1.48dB/mm.
对比例
结合实施例1-实施例6进行具体的比较和说明：
可以想到的，声阻抗计算公式：Z＝ρ·c
其中ρ是介质的密度，c是介质中的声速。
如图6所示，可知Z1为介质1的声阻抗，Z2为介质2的声阻抗。
进而可知，超声波在界面处的声强反射率计算公式：
得超声波在界面处的声强透射率计算公式：
当无匹配层时，如图7所示，当压电复合材料的声阻抗为16MRayls，负载声阻抗是1.5MRayls。由式(1-2)可计算出超声波在压电复合材料与负载之间的声强透射率为0.31。
当压电复合材料与负载之间加上一层匹配层后，如图8所示，当压电复合材料的声阻抗是16MRayls，匹配层声阻抗采用实施例6中的3.89MRayls，负载声阻抗是1.5MRayls。根据式(1-2)可计算出压电复合材料与匹配层之间的声强透射率为0.63，匹配层与负载之间的声强透射率为0.81，则压电复合材料与负载之间的声强透射率为0.51。
通过上述对比例可知，应用实施例1-实施例6所制备得匹配层能够有效得增强压电复合材料与负载之间的声强透射率。其中，实施例6为最优，相比而言声强透射率增加了70％左右。
因此，可以看出，实施例1-6通过增加声强透射率，能有效提升超声换能器的灵敏度，并且制得的匹配层样品密度均匀分布，透射稳定性好，从而打破超声换能器发展的瓶颈，能够开拓超声换能器的应用领域，对于超声换能器后期的发展至关重要，对于超声换能器后期的发展的意义也非常重大。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种超声换能器匹配层，其特征在于，按质量组分包括环氧树脂80份、固化剂28份和氮化铝0-80份。
2.根据权利要求1所述的超声换能器匹配层，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂，所述固化剂为固化剂280B胶。
3.根据权利要求1所述的超声换能器匹配层，其特征在于，所述氮化铝为粒径不超过1um的颗粒。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的超声换能器匹配层的制备方法，其特征在于，步骤包括：
S1、按质量组分比例取环氧树脂、固化剂和氮化铝均匀混合；
S2、置于真空箱中抽真空30-50分钟；
S3、置于恒温环境下固化；
S4、研磨成型。
5.根据权利要求4所述的超声换能器匹配层制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，在搅拌机中搅拌10-15分钟，设置搅拌机转速为10000-15000r/min。
6.根据权利要求4所述的超声换能器匹配层制备方法，其特征在于，所述真空箱中真空压力为-100kPa。
7.根据权利要求4所述的超声换能器匹配层制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，在恒温50℃的环境下固化12小时。
8.一种超声换能器，其特征在于，包括权利要求4所述超声换能器匹配层制备方法制得的超声换能器匹配层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220513 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |