CN115508456A - 应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料、背衬及其制备方法 - Google Patents

应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料、背衬及其制备方法 Download PDF

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董方旭
张海波
高华昀
周鑫翊
刘继军
段剑
孙岩
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Shandong Non Metallic Material Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料、背衬及其制备方法，其由以下质量百分比的组分组成：E51环氧树脂40～70wt％，固化剂10～20wt％，谷氨酸钠20～40wt％。其制备方法为：（1）将E51环氧树脂、固化剂与谷氨酸钠搅拌均匀，得到悬浮液；（2）放置于0.08MPa的真空干燥箱中15min，除去气泡；（3）将压电陶瓷片放入模具中，再将除去气泡后的悬浮液倒入模具，在80℃烘干3h使将E51环氧树脂固化，制得压电陶瓷片的背衬，然后对背衬进行打磨；（4）将打磨后复合了背衬的陶瓷片放入温水中，背衬中的谷氨酸钠溶解，制得应用于超声探头的背衬。本发明所制的背衬中有较低的声阻抗，拥有较高的灵敏度，声学性能佳。

Description

应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料、背衬及其制备 方法
技术领域
本发明涉及超声技术领域，尤其涉及一种应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料、背衬及其制备方法。
背景技术
超声检测作为一门无损检测技术在医疗、食品，新能源等领域有着广泛的应用。压电超声探头作为超声检测技术的核心器件之一，可以实现电信号与声信号的相互转换，其性能的优劣对超声检测结果有着决定性作用。其中空气耦合超声探头作为非接触式检测设备，相较于传统的超声探头不需要耦合剂，所以使用方便，有良好的适用性被广泛关注。空气耦合压电超声探头由匹配层、压电元件以及背衬等部分组成，压电元件是空气耦合超声探头的核心部件，影响探头的工作频率、工作效率、灵敏度，阻抗特性等。
匹配层与背衬阻抗需要与压电元件的阻抗相匹配，利于压电元件对超声信号的接收，促进探头的成像质量。其中背衬需要吸收压电元件向后发射的超声波，同时增加换能器的带宽。背衬利用阻尼作用使晶片尽快停止振动，同时吸收压电元件向背面产生的超声波，使超声波散射和衰减，减少背面的反射超声波对向前发射的超声信号的影响，促进探头成像。背衬还影响探头的带宽与灵敏度，一般来说背衬材料的声阻抗越接近压电元件的声阻抗，就越能获得越高的带宽，但会导致灵敏度降低。空气耦合压电超声探头为了平衡带宽与灵敏度一般采用空气背衬，这种方法得到的灵敏度很大，但是余振很长，带宽很窄。目前空气耦合压电超声探头背衬难以平衡带宽、分辨率与灵敏度之间的关系。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种空气耦合压电超声探头背衬材料及其制备方法，拥有合适的声阻抗，高的声衰减，抑制余振的产生，增加探头的带宽并拥有较好的灵敏度。
一种应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料，其由以下质量百分比的组分组成：E51环氧树脂40～70wt％，固化剂10～20wt％，谷氨酸钠20～40wt％。
进一步地，所述背衬材料由以下质量百分比的组分组成：E51环氧树脂48 wt％，固化剂16wt％，谷氨酸钠36wt％。
一种应用于空气耦合压电超声探头的背衬，由上述的背衬材料形成。
进一步地，在温度20℃和频率400kHz测试条件下，所述背衬材料的声阻抗为3.0～3.5MPa·s/m，声衰减系数为10～35dB/cm。
上述应用于空气耦合压电超声探头的背衬的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：将E51环氧树脂加热到60℃，加入固化剂与谷氨酸钠，搅拌均匀，得到悬浮液；
(2)除泡：将悬浮液置于0.08MPa的真空干燥箱中15min，除去气泡；
(3)背衬制备：将压电陶瓷片放入模具中，再将除去气泡后的悬浮液倒入模具，在80℃烘干3h使将E51环氧树脂固化，制得压电陶瓷片的背衬，然后对背衬进行打磨；
(4)开孔制备：将打磨后复合了背衬的陶瓷片放入温水中，背衬中的谷氨酸钠溶解，制得具有开孔结构的应用于空气耦合压电超声探头的背衬。
相比现有技术，本发明的有效效果是：
1、本发明制备的具有开孔结构的背衬，此种结构具有较低的声阻抗和较高的灵敏度。
2、开孔结构的背衬，由于开孔结构具有大的声散射与声衰减，有效减少背面的反射超声波对向前发射的超声信号的影响。较大的声衰减避免背衬层过厚，使超声探头尺寸减小。
3、开孔结构的背衬相较于空气耦合超声探头使用的空气背衬，声阻抗与压电元件声阻抗更接近，拥有更宽的带宽。
4、带开孔的背衬能有效地抑制压电元件的余振产生，增加带宽，得到所需的窄脉冲信号，背衬与压电元件相互压紧可以降低Qm，进一步增加空气耦合超声探头的带宽。
5、使用自牺牲模板法制备具有开孔结构的背衬，将悬浮倒入模具中，固化后得到所需尺寸，减少机械加工，利于开孔结构背衬的制备成型。
附图说明
图1是本发明实施例2制备的背衬的实物图；
图2是本发明制备的背衬的孔隙率与声衰减图；
图3是空气背衬换能器回波信号的时域与频域图；
图4是本发明实施例2制备的背衬换能器回波信号的时域与频域图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
第一步：混料
称取E51环氧树脂40g，固化剂20g，谷氨酸钠40g，将E51环氧树脂加热到60℃改善其流动性，再依次加入固化剂与谷氨酸钠，搅拌均匀，得到部分谷氨酸钠在树脂边缘并且使谷氨酸钠颗粒相互接触，使之相互联通，形成悬浮液；
第二步：除泡
室温下将悬浮液放入真空干燥箱中，在0.08MPa的真空度下抽真空15min 除去悬浮液中的气泡；
第三步：背衬制备
将除泡后的悬浮液倒入放有压电陶瓷片的模具中，放入80℃干燥箱中固化 3h，E51环氧树脂固化,制得压电陶瓷片的背衬，将得到的背衬进行打磨，表面的树脂层被打磨掉，谷氨酸钠裸露出来，以便于后续溶解谷氨酸钠模板；
第四步：开孔制备
将打磨后的复合了背衬的压电陶瓷片放入90℃温水中，静置2h，使谷氨酸钠充分溶解，得到具有开孔结构的应用于空气耦合压电超声探头的背衬。
在温度20℃和频率400kHz测试条件下，测的所制备背衬的声阻抗为3.0 MPa·s/m，声衰减系数为35.0dB/cm。
实施例2
与实施例1的不同之处在于第一步：称取E51环氧树脂48g，固化剂16g，谷氨酸钠36g。
在温度20℃和频率400kHz测试条件下，测的所制备背衬的声阻抗为 3.2MPa·s/m，声衰减系数为25.0dB/cm。
实施例3
与实施例1的不同之处在于第一步：称取E51环氧树脂60g，固化剂10g，谷氨酸钠30g。
在温度20℃和频率400kHz测试条件下，测的所制备背衬的声阻抗为3.3MPa·s/m，声衰减系数为18.0dB/cm。
实施例4
与实施例1的不同之处在于第一步：称取E51环氧树脂70g，固化剂10g，谷氨酸钠20g。
在温度20℃和频率400kHz测试条件下，测的所制备背衬的声阻抗为 3.5MPa·s/m，声衰减系数为10.0dB/cm。
图1：可以看到制备的多孔背衬表面具有大量的相互连通的开孔，可以实现较低的声阻抗和较高的声衰减。
图2：研究了四组实施例中不同含量谷氨酸钠背衬的孔隙率，其中背衬孔隙率与加入谷氨酸钠的量接近呈线性关系，四个组分加入谷氨酸钠的量分别是20 wt％、30wt％、36wt％、40wt％，并确定多孔背衬孔隙率与声衰减的关系，随着孔隙率的增加，声衰减逐步增大，但孔隙率达到一定程度后，声衰减增加减缓。
图3，图4分别是空气背衬探头的回波时域与频域信号图与本发明多孔背衬探头的回波时域与频域信号图，从时域信号可以得到加入多孔背衬虽然使探头接受信号幅值下降灵敏度降低，但振动时间减少有效抑制了压电元件的余振，提高了探头的效率。从频域信号可知加入多孔背衬使探头的带宽由20％增加至 29％，多孔背衬有效提高了探头的带宽。带宽计算公式如下：
Figure RE-GDA0003929465350000051
fC探头工作频率，fL频域最高峰值下降6dB对应的低频域点，fH频域最高峰值上升6dB对应的高频域点。
Figure RE-GDA0003929465350000052
BW-6dB超声换能器相对带宽。
由此可见，本发明的多孔背衬结构据有较低的声阻抗，拥有较高的灵敏度。
开孔结构的背衬，由于开孔结构具有大的声散射与声衰减，有效减少背面的反射超声波对向前发射的超声信号的影响。较大的声衰减避免背衬层过厚，使超声探头尺寸减小。
开孔结构的背衬相较于空气耦合超声探头使用的空气背衬，声阻抗与压电元件声阻抗更接近，拥有更宽的带宽。
带开孔的背衬能有效地抑制压电元件的余振产生，增加带宽，得到需要的窄脉冲信号，背衬与压电元件相互压紧可以降低Qm，进一步增加空气耦合超声探头的带宽。
根据上述说明书的解释，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (5)

1.一种应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料，其特征在于：其由以下质量百分比的组分组成：E51环氧树脂40～70wt％，固化剂10～20wt％，谷氨酸钠20～40wt％。
2.根据权利要求1所述的应用于空气耦合压电超声探头的背衬材料，其特征在于：其由以下质量百分比的组分组成：E51环氧树脂48 wt％，固化剂16wt％，谷氨酸钠36wt％。
3.一种应用于空气耦合压电超声探头的背衬，其特征在于：所述背衬由权利要求1所述的背衬材料形成。
4.根据权利要求3所述的应用于空气耦合压电超声探头的背衬，其特征在于：在温度20℃和频率400kHz测试条件下，所述背衬材料的声阻抗为3.0～3.5MPa·s/m，声衰减系数为10～35dB/cm。
5.一种根据权利要求3或4所述的应用于空气耦合压电超声探头背衬的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）混料：将E51环氧树脂加热到60℃，加入固化剂与谷氨酸钠，搅拌均匀，得到悬浮液；
（2）除泡：将悬浮液置于0.08MPa的真空干燥箱中15min，除去气泡；
（3）背衬制备：将压电陶瓷片放入模具中，再将除去气泡后的悬浮液倒入模具，在80℃烘干3h使将E51环氧树脂固化，制得压电陶瓷片的背衬，然后对背衬进行打磨；
（4）开孔制备：将打磨后复合了背衬的陶瓷片放入温水中，背衬中的谷氨酸钠溶解，制得具有开孔结构的应用于空气耦合压电超声探头的背衬。
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