CN116574353B - 一种超声换能器匹配层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声换能器材料技术领域，尤其涉及一种超声换能器匹配层材料及其制备方法。采用如下技术方案：以重量份数为单位包含如下成分：酚醛树脂15~34份、氧化铝50~92份、石墨3~17份、碳纤维1~16份、固化剂1.5~5份和润滑剂0.5~5份；将以上原材料粉末进行密炼、热压成型后制得超声换能器匹配层材料。本发明的有益效果在于：通过采用氧化铝，具体采用针状氧化铝与酚醛树脂混合制得具备较高声阻抗率和较低声衰减性的材料，降低材料成本以及加工难度；结合石墨作为良好导热导体，可提高材料的导热性能；硬脂酸钙或硬脂酸锌作为润滑剂，可有效提高匹配层材料整体成型效果，提高产品合格率；同时碳纤维可有效提高匹配层材料整体的稳定性，提高产品声学性能和合格率。
Description
技术领域
本发明涉及超声换能器材料技术领域，尤其涉及一种超声换能器匹配层材料及其制备方法。
背景技术
超声换能器在使用时，由于人体软组织的声特性阻抗约为1.5×106Pa·s/m左右，而压电陶瓷片的声特性阻抗可高达38×106Pa·s/m左右，两者差距非常大，如果压电陶瓷晶片直接接触人体，由压电陶瓷向人体软组织中辐射超声波，由于两者阻抗相差悬殊，所以反射系数很大，透射系数很小，这样大部分声波被反射，只有少部分声波透射，导致无法正常获取超声回波，影响最终成像。为了克服这种缺点，人们在压电陶瓷片与人体之间插入一些媒质层，即为匹配层，使压电陶瓷片和人体之间的声特性阻抗逐渐变化，优化成像效果。因此，匹配层的质量很大程度影响超声换能器的整体性能。目前超声换能器中的匹配层大多采用单层、双层或三层的匹配层，也有少数使用大于三层的匹配层，在匹配层中，与压电陶瓷晶片相连接的匹配层为第一匹配层，由于压电陶瓷晶片的声特性阻抗较大，因此与压电陶瓷晶片连接的第一匹配层需要较高的声特性阻抗，制备该匹配层的材料需要较高的声阻抗率。
目前常用的第一匹配层采用环氧树脂+钨粉制成，将钨粉均匀分布于环氧树脂中得到具有较高声阻抗率的材料，利用该材料制得的第一匹配层具备较高的声特性阻抗。然而，钨粉价格高昂，导致其综合成本较高，且环氧树脂+钨粉制得的匹配层存在衰减率较高的问题，对于穿透性较差的高频声波，会导致声波衰减过大，降低超声换能器的灵敏度，影响成像，另外，由于钨粉的密度较大，在加工过程中，钨粉容易在环氧树脂中沉底，出现分散不均匀导致成型后翘曲严重以及不良率高等问题，同时，由于钨粉在环氧树脂中分散不均匀，即便钨粉的导热系数高达173W/m*K，在此体系中也不容易形成导热通路，实际测试的导热系数仅有2.6 W/m*K左右，证明其没有很好地形成导热通路。而匹配层导热系数不佳，会使探头在长时间工作后积累大量余热，进而损坏元器件，降低探头的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声换能器匹配层材料及其制备方法，具体在于提供一种材料成本低、声阻抗率较高、导热性良好且声学性能稳定的超声换能器匹配层材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超声换能器匹配层材料，以重量份数为单位包含如下成分：酚醛树脂15~34份、氧化铝50~92份、石墨3~17份、碳纤维1~16份、固化剂1.5~5份和润滑剂0.5~5份。
具体的，酚醛树脂为热塑性酚醛树脂。
具体的，固化剂为六亚甲基四胺。
具体的，润滑剂为硬脂酸钙或硬脂酸锌。
一种超声换能器匹配层材料的制备方法，包括如下步骤：
S01、以重量份数为单位称取以下原材料：酚醛树脂15~34份、氧化铝50~92份、石墨3~17份、碳纤维1~16份、固化剂1.5~5份和润滑剂0.5~5份。
S02、将原材料中的酚醛树脂破碎呈粉末状，然后与其他粉末状的原材料搅拌混合均匀。
S03、将混合均匀后的粉末状原材料放入密炼机进行密炼。
S04、将密炼后的粉末状原材料冷却，然后置于模具中在平板硫化机中进行热压成型，得到片材。
S05、将片材研磨至设定的厚度，得到用于超声换能器的匹配层。
具体的，步骤S01中酚醛树脂为热塑性酚醛树脂。
具体的，步骤S01中固化剂为六亚甲基四胺。
具体的，步骤S01中氧化铝采用粒径为3~4μm的针状氧化铝粉末。
具体的，步骤S01中的润滑剂采用硬脂酸钙或硬脂酸锌。
具体的，步骤S04中，利用平板硫化机进行热压成型时，平板硫化机设置为自动模式，具体包括如下步骤：
S41、预压，时间6~10min，压力15~20MPa。
S42、排气5~15次，每次排气10s。
S43、增压，时间60~90min，压力20~25MPa。
S44、冷却，冷却降温至30~50摄氏度。
本发明的有益效果在于：通过采用氧化铝，具体采用针状氧化铝与酚醛树脂混合制得具备较高声阻抗率和较低声衰减性的材料，同时降低材料成本以及加工难度；结合石墨作为良好导热导体，可提高材料的导热性能；硬脂酸钙或硬脂酸锌作为润滑剂，可有效提高匹配层材料整体成型效果，提高产品合格率；同时碳纤维可有效提高匹配层材料整体的稳定性，提高产品声学性能和合格率。
实施方式
实施例1，一种超声换能器匹配层材料，以重量份数为单位包含如下成分：酚醛树脂20份、氧化铝55份、石墨6份、碳纤维10份、固化剂2份和润滑剂0.5份。其中，酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；固化剂为六亚甲基四胺；润滑剂为硬脂酸钙或硬脂酸锌。
本实施例还提供一种超声换能器匹配层材料的制备方法，包括如下步骤：
S01、以重量份数为单位称取以下原材料：酚醛树脂20份、氧化铝55份、石墨6份、碳纤维10份、固化剂2份和润滑剂0.5份。
S02、将原材料中的酚醛树脂破碎呈粉末状，然后与其他粉末状的原材料搅拌混合均匀。
S03、将混合均匀后的粉末状原材料放入密炼机进行密炼。其中，进行密炼时，密炼机温度设置为110℃，转速30rpm，密炼时间为30min。
S04、将密炼后的粉末状原材料冷却，然后置于模具中在平板硫化机中进行热压成型，得到片材。
S05、将片材研磨至设定的厚度，得到用于超声换能器的匹配层。
其中，步骤S01中酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；固化剂为六亚甲基四胺；氧化铝采用粒径为3~4μm的针状氧化铝粉末；步骤S01中的润滑剂采用硬脂酸钙或硬脂酸锌；石墨为1250目微粉石墨，粒径约为10μm；碳纤维的单丝直径为7μm，平均长度为50μm。
具体的，步骤S04中，利用平板硫化机进行热压成型时，平板硫化机设置为自动模式，具体包括如下步骤：
S41、预压，时间8min，压力17MPa。
S42、排气10次，每次排气10s。
S43、增压，时间75min，压力20MPa。
S44、冷却，冷却降温至40摄氏度。
实施例2，一种超声换能器匹配层材料，以重量份数为单位包含如下成分：酚醛树脂20份、氧化铝75份、石墨6份、碳纤维10份、固化剂2份和润滑剂0.5份。其中，酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；固化剂为六亚甲基四胺；润滑剂为硬脂酸钙或硬脂酸锌。
本实施例还提供一种超声换能器匹配层材料的制备方法，包括如下步骤：
S01、以重量份数为单位称取以下原材料：酚醛树脂20份、氧化铝75份、石墨6份、碳纤维10份、固化剂2份和润滑剂0.5份。
S02、将原材料中的酚醛树脂破碎呈粉末状，然后与其他粉末状的原材料搅拌混合均匀。
S03、将混合均匀后的粉末状原材料放入密炼机进行密炼。其中，进行密炼时，密炼机温度设置为110℃，转速30rpm，密炼时间为30min。
S04、将密炼后的粉末状原材料冷却，然后置于模具中在平板硫化机中进行热压成型，得到片材。
S05、将片材研磨至设定的厚度，得到用于超声换能器的匹配层。
其中，步骤S01中酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；固化剂为六亚甲基四胺；氧化铝采用粒径为3~4μm的针状氧化铝粉末；步骤S01中的润滑剂采用硬脂酸钙或硬脂酸锌；石墨为1250目微粉石墨，粒径约为10μm；碳纤维的单丝直径为7μm，平均长度为50μm。
具体的，步骤S04中，利用平板硫化机进行热压成型时，平板硫化机设置为自动模式，具体包括如下步骤：
S41、预压，时间8min，压力17MPa。
S42、排气10次，每次排气10s。
S43、增压，时间75min，压力20MPa。
S44、冷却，冷却降温至40摄氏度。
实施例3，一种超声换能器匹配层材料，以重量份数为单位包含如下成分：酚醛树脂20份、氧化铝90份、石墨6份、碳纤维10份、固化剂2份和润滑剂0.5份。其中，酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；固化剂为六亚甲基四胺；润滑剂为硬脂酸钙或硬脂酸锌。
本实施例还提供一种超声换能器匹配层材料的制备方法，包括如下步骤：
S01、以重量份数为单位称取以下原材料：酚醛树脂20份、氧化铝90份、石墨6份、碳纤维10份、固化剂2份和润滑剂0.5份。
S02、将原材料中的酚醛树脂破碎呈粉末状，然后与其他粉末状的原材料搅拌混合均匀。
S03、将混合均匀后的粉末状原材料放入密炼机进行密炼。其中，进行密炼时，密炼机温度设置为110℃，转速30rpm，密炼时间为30min。
S04、将密炼后的粉末状原材料冷却，然后置于模具中在平板硫化机中进行热压成型，得到片材。
S05、将片材研磨至设定的厚度，得到用于超声换能器的匹配层。
其中，步骤S01中酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；固化剂为六亚甲基四胺；氧化铝采用粒径为3~4μm的针状氧化铝粉末；步骤S01中的润滑剂采用硬脂酸钙或硬脂酸锌；石墨为1250目微粉石墨，粒径约为10μm；碳纤维的单丝直径为7μm，平均长度为50μm。
具体的，步骤S04中，利用平板硫化机进行热压成型时，平板硫化机设置为自动模式，具体包括如下步骤：
S41、预压，时间8min，压力17MPa。
S42、排气10次，每次排气10s。
S43、增压，时间75min，压力20MPa。
S44、冷却，冷却降温至40摄氏度。
本申请以实施例1~3分别作为实验组1~3，并结合1个对照组和现有的环氧树脂+钨粉制得的匹配层材料进行比对，其中，对照组采用的原材料以重量份数为单位包括33份酚醛树脂、90份氧化铝、15份碳纤维、9份石墨和3份六亚甲基四胺，并按照实施例1-3中所采用的制备方法进行制备。其中的环氧树脂+钨粉的匹配层材料采用如下方法制得：以重量份数为单位取如下原材料进行搅拌混合：100份环氧树脂E51、140份钨粉和12.5份四乙烯五胺；原材料混合后抽真空至无气泡状态，并倒在有灌制围框的玻璃板上，用另一玻璃板压片；将容纳有原材料的玻璃板转移到固定支架上，置于烘箱中固化成型，以此得到现有的由环氧树脂+钨粉制得的匹配层材料。其中，环氧树脂E51采用巴陵石化公司生产，商品牌号为CYD-128，类型为双酚A型低粘度的环氧树脂，钨粉采用博华斯纳米科技（宁波）有限公司生产，商品牌号Brofos-W-M500，粒径为500目的球形钨粉。
由于对照组的原材料缺少润滑剂硬脂酸钙，最终无法成型，故将实验组1~3和现有的环氧树脂+钨粉制得的匹配层材料，均统一研磨至0.225mm厚，然后测试其声学性能，具体使用回波法测试声速，使用密度计测试密度，并分别测试声特性阻抗、声衰减系数和导热系数，得到如下表格的实验结果。
根据实验结果可以看出，与现有的环氧树脂+钨粉制得的匹配层相比，采用本实施例制得的匹配层具有高声阻抗率、低声衰减和导热系数高的特点，具有良好的声学性能，且材料的综合成本较低。
当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种超声换能器匹配层材料，其特征在于：以重量份数为单位包含如下成分：酚醛树脂15~34份、氧化铝50~92份、石墨3~17份、碳纤维1~16份、固化剂1 .5~5份和润滑剂0 .5~5份；其中，氧化铝为粒径3~4μm的针状氧化铝粉末，石墨采用1250目、粒径为10μm的微粉石墨，碳纤维采用单丝直径为7μm、平均长度为50μm的碳纤维粉末。
2.根据权利要求1所述的一种超声换能器匹配层材料，其特征在于：所述酚醛树脂为热塑性酚醛树脂。
3.根据权利要求2所述的一种超声换能器匹配层材料，其特征在于：所述固化剂为六亚甲基四胺。
4.根据权利要求1所述的一种超声换能器匹配层材料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸钙或硬脂酸锌。
5.一种超声换能器匹配层材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S01、以重量份数为单位称取以下原材料：酚醛树脂15~34份、氧化铝50~92份、石墨3~17份、碳纤维1~16份、固化剂1 .5~5份和润滑剂0 .5~5份；其中，氧化铝为粒径3~4μm的针状氧化铝粉末，石墨采用1250目、粒径为10μm的微粉石墨，碳纤维采用单丝直径为7μm、平均长度为50μm的碳纤维粉末；
S02、将原材料中的酚醛树脂破碎呈粉末状，然后与其他粉末状的原材料搅拌混合均匀；
S03、将混合均匀后的粉末状原材料放入密炼机进行密炼；
S04、将密炼后的粉末状原材料冷却，然后置于模具中在平板硫化机中进行热压成型，得到片材；
S05、将片材研磨至设定的厚度，得到用于超声换能器的匹配层。
6.根据权利要求5所述的一种超声换能器匹配层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S01中酚醛树脂为热塑性酚醛树脂。
7.根据权利要求5所述的一种超声换能器匹配层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S01中固化剂为六亚甲基四胺。
8.根据权利要求5所述的一种超声换能器匹配层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S01中的润滑剂采用硬脂酸钙或硬脂酸锌。
9.根据权利要求5所述的一种超声换能器匹配层材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S04中，利用平板硫化机进行热压成型时，平板硫化机设置为自动模式，具体包括如下步骤：
S41、预压，时间6~10min，压力15~20MPa；
S42、排气5~15次，每次排气10s；
S43、增压，时间60~90min，压力20~25MPa；
S44、冷却，冷却降温至30~50摄氏度。
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