ES2958164A1 - Un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico - Google Patents
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Abstract
Un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico. La invención se refiere a un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico, teniendo dicho transductor una frecuencia central de entre 0,02 MHz y 100 MHz y comprendiendo dicho material compuesto una matriz de polímero y un polvo o una mezcla de polvos. Además, la invención se refiere a un sistema configurado para llevar a cabo las etapas de dicho método, un programa informático que comprende instrucciones para llevar a cabo algunas de las etapas del método y un soporte de datos legibles por ordenador que tiene almacenado dicho programa informático. Por lo tanto, la presente invención se enmarca en el área de la ciencia de los materiales y, por lo tanto, resulta de interés para las industrias que fabrican materiales compuestos para sensores, particularmente para transductores ultrasónicos.
Description
DESCRIPCIÓN
Un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico
La invención se refiere a un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico, teniendo dicho transductor una frecuencia central de entre 0,02 MHz y 100 MHz y comprendiendo dicho material compuesto una matriz de polímero y un polvo o una mezcla de polvos. Además, la invención se refiere a un sistema configurado para llevar a cabo las etapas de dicho método, un programa informático que comprende instrucciones para llevar a cabo algunas de las etapas del método y un soporte de datos legibles por ordenador que tiene almacenado dicho programa informático.
Por lo tanto, la presente invención se enmarca en el área de la ciencia de los materiales y, por lo tanto, resulta de interés para las industrias que fabrican materiales compuestos para sensores, particularmente para transductores ultrasónicos.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La naturaleza y la función de los componentes pasivos de los transductores ultrasónicos dependen de la aplicación final para la que está destinado el transductor y del diseño del transductor, por lo tanto, los parámetros del material, como la impedancia acústica, la velocidad ultrasónica y el coeficiente de atenuación, desempeñan un papel importante en su diseño. Los principales componentes pasivos de los transductores ultrasónicos son: capas de adaptación, contramasa, cuñas de acoplamiento, líneas de retardo y componentes estructurales.
Por ejemplo, en el caso de las capas de adaptación, la impedancia acústica requerida del componente pasivo depende del medio de acoplamiento a usar junto con el transductor y el elemento activo empleado en la construcción del transductor. Los valores normales pueden variar de 0,1 hasta 20 MRayl. De manera similar, el coeficiente de atenuación requerido del componente pasivo que es la capa de adaptación también depende del diseño del transductor y puede variar, normalmente, dentro del intervalo de 0,01 dB/mm hasta 10 dB/mm a la frecuencia central del transductor.
Los polímeros se han usado ampliamente para fabricar componentes pasivos, ya que existe una amplia oferta comercial, su precio es asequible y su manipulación y mecanización es fácil. Con el fin de ajustar su impedancia acústica y su coeficiente de atenuación, se ha añadido una carga de polvo a los polímeros para formar materiales compuestos con la impedancia acústica y el coeficiente de atenuación deseados. Como ejemplo, se sabe muy bien que resulta posible modificar la impedancia acústica de una resina mediante la adición de una carga de polvo de wolframio. Mediante la variación de la fracción volumétrica de polvo de wolframio del 0,1 % al 55 %, se puede variar la impedancia acústica del material compuesto final de 2,7 MRayl hasta 20 MRayl.
No obstante, las principales limitaciones del uso de una carga de partículas para ajustar las propiedades acústicas de los materiales compuestos de polímero al valor impuesto por el diseño del transductor aparecen en los límites de fracción volumétrica de partículas tanto bajos como altos.
En el caso de los compuestos con una fracción volumétrica de partículas baja, la correcta dispersión de las partículas en la matriz polimérica y, por tanto, la homogeneidad del material compuesto resultan difíciles de lograr. En este sentido, también resulta difícil evitar que las partículas se hundan o floten en la matriz polimérica, debido a su diferencia de densidad con el polímero. Estos efectos no deseados se pueden reducir
• mediante la reducción del tamaño de partícula. Sin embargo, la reducción del tamaño de partícula presenta algunos problemas adicionales, como riesgos para la seguridad y la salud durante la manipulación y la fabricación, el problema de la aglomeración de partículas y el problema del aumento del precio. Por lo tanto, habitualmente se recomienda el uso de partículas mayores de 5 micrómetros. No obstante, las esferas de vidrio huecas se limitan a valores de tamaño de partícula relativamente mayores;
• mediante el uso de un polímero con una densidad/viscosidad superior. No obstante, los polímeros viscosos presentan los problemas de que la manipulación y la desgasificación pueden resultar más difíciles y se reduce la cantidad máxima de carga de partículas aceptable, o
• mediante el uso de un polímero con una vida útil inferior. No obstante, el uso de polímeros con una vida útil más corta puede entrar en conflicto con el tiempo requerido para mezclar y desgasificar correctamente la mezcla y dispensarla en la localización correcta del transductor.
Por otro lado, en el caso de los materiales compuestos con una alta fracción volumétrica de partículas, resulta difícil lograr una mezcla eficaz de la resina y el polvo y evitar la aparición de porosidad y zonas secas. Las mezclas con una alta carga de partículas se pueden volver muy viscosas y no se pueden desgasificar usando sistemas de desgasificación al vacío convencionales y se deben compactar usando altas presiones (presión uniaxial) y/o temperaturas elevadas. Desafortunadamente, la mayoría de estos procedimientos no son compatibles con la fabricación de transductores. Además, la manipulación de tales materiales altamente viscosos resulta difícil y la integración en la fabricación de transductores se vuelve compleja.
Por lo tanto, resulta necesario desarrollar nuevos procedimientos para fabricar componentes pasivos para transductores ultrasónicos que tengan en cuenta todos los problemas mencionados anteriormente.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención divulga un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico (en el presente documento, el método de fabricación de la invención), teniendo dicho transductor una frecuencia central de entre 0,02 MHz y 100 MHz y comprendiendo dicho material compuesto una matriz de polímero y un polvo o una mezcla de polvos.
En dicho método, la fracción volumétrica de partículas de polvo se mantiene dentro de un intervalo de valores donde la viscosidad de la mezcla de polímero y polvo es lo suficientemente alta como para evitar que las partículas se hundan o floten antes de que la matriz de polímero se cure, pero no tan alta como para impedir el correcto mezclado de la matriz polimérica y las partículas del polvo.
Al mismo tiempo, el método de la presente invención se refiere a etapas de mezclado compatibles con la fabricación de transductores y con la fabricación de materiales compuestos poliméricosin situ,excluyendo el método el uso de altas temperaturas o altas presiones que puedan afectar al componente piezoeléctrico del transductor y el uso de sistemas de desgasificación al vacío que no sean eficaces para valores altos de la fracción volumétrica de partículas o cuando la mezcla de polvo de polímero sea demasiado viscosa.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico (en el presente documento, el método de fabricación de la invención), teniendo dicho transductor una frecuencia central de entre 0,02 MHz y 100 MHz y comprendiendo dicho material compuesto una matriz de polímero y un polvo o una mezcla de polvos, comprendiendo dicho método las siguientes etapas:
■ determinar la impedancia acústica objetivo y el coeficiente de atenuación objetivo del material compuesto pasivo, de dicho transductor;
■ calcular el módulo elástico, la densidad y el coeficiente de atenuación de la matriz de polímero, que comprende un componente A mezclado con un componente B; ■ determinar el polvo y la fracción en volumen de polvo óptima para el mezclado con la matriz de polímero;
- calcular el módulo elástico objetivo y la densidad objetivo mediante el uso de la expresión:
- determinar una diferencia de módulo elástico (AE) entre el módulo elástico objetivo y el módulo elástico de la matriz de polímero;
- determinar una diferencia de densidad (Ap) entre la densidad objetivo y la densidad de la matriz de polímero;
- seleccionar un primer conjunto de posibles polvos, del tal manera que:
- si la diferencia de módulo elástico y la diferencia de densidad son mayores de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico y una densidad superiores a los de la matriz polimérica;
- si la diferencia de módulo elástico es mayor de 0 y la diferencia de densidad es menor de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico superior al de la matriz polimérica y una densidad inferior a la de la matriz polimérica;
- si la diferencia de módulo elástico es menor de 0 y la diferencia de densidad es mayor de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico inferior o superior al de la matriz polimérica y una densidad superior a la de la matriz polimérica; y - si la diferencia de módulo elástico y la diferencia de densidad son menores de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico y una densidad inferiores a los de la matriz polimérica; - seleccionar un primer polvo del primer conjunto de posibles polvos;
a) determinar una fracción volumétrica de polvo máxima (0m) para el primer polvo seleccionado como aquella fracción volumétrica para la que la viscosidad aumenta abruptamente y el mezclado de la mezcla se vuelve imposible cuando se mezcla, en un mezclador orbital de alta velocidad, el componente A de la matriz de polímero con la fracción volumétrica de polvo aumentada gradualmente a una temperatura que varía entre 0 °C y 40 °C y a presión ambiente;
b) determinar una fracción volumétrica de polvo mínima para el primer polvo seleccionado como la fracción volumétrica en la que el desplazamiento de las partículas de polvo durante el curado del polímero es menor de 1/20 de la longitud de onda ultrasónica en la frecuencia central del transductor ultrasónico, en donde el desplazamiento se calcula mediante la siguiente Fórmula (1)
dondepp ypfson la densidad de las partículas y el polímero,gla aceleración de la gravedad yRel radio de las partículas,
en donde la viscosidad del material compuesto pasivo se calcula mediante el uso de la viscosidad de la matriz polimérica (gpoiímero) y la fracción volumétrica de polvo en cada momento (0);
c) determinar el módulo elástico resultante y la densidad resultante de la mezcla en función de la fracción volumétrica de polvo del primer polvo seleccionado; d) determinar la impedancia acústica a partir del módulo elástico y la densidad e) determinar la fracción volumétrica de polvo óptima para el primer polvo seleccionado como fracción volumétrica de polvo para la que el módulo elástico y la densidad coinciden con el módulo elástico objetivo y la densidad objetivo;
- si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo mínima e inferior a la fracción volumétrica de polvo máxima, continuar con la etapa de fabricación;
- si la fracción volumétrica de polvo óptima es inferior a la fracción volumétrica de polvo mínima:
- si el primer polvo seleccionado tiene un módulo elástico, una impedancia y una densidad superiores a los de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior o seleccionando el primer polvo seleccionado inicialmente y diferentes polvos del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior;
- si el primer polvo seleccionado tiene una impedancia inferior a la de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior o seleccionando el primer polvo inicialmente y un polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior;
- si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo máxima:
- si el primer polvo seleccionado tiene una impedancia superior a la de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior o seleccionando el primer polvo inicialmente y un polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior;
- si el primer polvo seleccionado tiene una impedancia inferior a la de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior o seleccionando el primer polvo seleccionado inicialmente y diferentes polvos del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior;
■ fabricar el material compuesto pasivo que comprende la matriz de polímero y la fracción volumétrica de polvo óptima del primer polvo seleccionado mediante el mezclado de la matriz de polímero con el primer polvo seleccionado y el curado.
Preferentemente, el módulo elástico objetivo y la densidad objetivo se pueden calcular mediante la determinación también de una velocidad ultrasónica objetivo y el uso de la expresión:
En una realización preferida del método de fabricación de la invención, dicho método de fabricación comprende, además, las etapas de:
- determinar un coeficiente de atenuación objetivo del material compuesto pasivo; - determinar una diferencia entre el coeficiente de atenuación objetivo y el coeficiente de atenuación de la matriz de polímero mezclada con el primer polvo seleccionado;
- seleccionar un segundo conjunto de posibles polvos, de tal manera que:
- si la diferencia de coeficiente de atenuación es mayor de 0, el segundo conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un coeficiente de atenuación superior al de la matriz polimérica o se reemplaza la matriz de polímero usada por un polímero diferente con un coeficiente de atenuación mayor;
- si la diferencia de coeficiente de atenuación es menor de 0, el segundo conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un coeficiente de atenuación inferior al de la matriz polimérica o se reemplaza la matriz de polímero usada por un polímero diferente con un coeficiente de atenuación inferior;
- seleccionar un segundo polvo del segundo conjunto de posibles polvos; f) determinar una fracción volumétrica de polvo máxima para el segundo polvo seleccionado de la misma manera que en la Etapa a);
g) determinar una fracción volumétrica de polvo mínima para el segundo polvo seleccionado de la misma manera que en la Etapa b);
h) determinar el coeficiente de atenuación resultante del material compuesto pasivo en función de la fracción volumétrica de polvo del segundo polvo seleccionado;
i) determinar la fracción volumétrica de polvo óptima para el segundo polvo seleccionado como fracción volumétrica de polvo para la que la diferencia de coeficiente de atenuación es 0;
- si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo mínima e inferior a la fracción volumétrica de polvo máxima, continuar con la etapa de fabricación;
- si la fracción volumétrica de polvo óptima es inferior a la fracción volumétrica de polvo mínima:
- si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación superior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación inferior;
- si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación inferior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación superior;
- si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo máxima:
- si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación superior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación superior;
- si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación inferior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación inferior.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, si ninguno de los polvos del primer y segundo conjuntos de posibles polvos permite alcanzar la deformación elástica, la densidad y/o el coeficiente de atenuación objetivos, el método se repite desde la etapa de selección de la matriz de polímero, seleccionando una matriz de polímero diferente.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, si ninguno de los polvos del primer y segundo conjuntos de posibles polvos permite alcanzar la deformación elástica, la densidad y/o el coeficiente de atenuación objetivos, se selecciona el polvo del primer o segundo conjuntos de posibles polvos que permite alcanzar la deformación elástica, la densidad y/o el coeficiente de atenuación más cercanos usando una fracción volumétrica de polvo entre la fracción volumétrica de polvo máxima y la fracción volumétrica de polvo mínima.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, la matriz de polímero se selecciona de una resina de epoxi, un caucho de poliuretano o un caucho de silicona o cualquier polímero similar.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, el polvo se selecciona de
• un polvo metálico, preferentemente un polvo de wolframio,
• titanato de plomo,
• un polvo cerámico, preferentemente polvo de óxido de cerio, polvo de circonia, polvo de óxido de titanio o polvo de alúmina,
• microesferas de vidrio huecas o microesferas de polímero huecas,
• un polvo polimérico,
opreferentemente un polímero micronizado,
opreferentemente polvo de caucho micronizado, polvo de resina o polvo de poliuretano.
Las partículas de polvo de wolframio, óxido de cerio, circonia, óxido de titanio y alúmina se usan para aumentar la impedancia acústica del material compuesto pasivo con respecto a la de la matriz de polímero. Por el contrario, se usan esferas huecas (microesferas de vidrio huecas o microesferas de polímero huecas) para disminuir la impedancia acústica del material compuesto pasivo con respecto a la de la matriz de polímero.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, el material compuesto pasivo comprende polvo de caucho micronizado obtenido a partir de neumáticos reciclados al final de su vida útil que tiene un tamaño de partícula de entre 1 ^m y 100 ^m.
Las buenas propiedades del granulado de ELT y el caucho en polvo, tales como la absorción de impactos y vibraciones, su peso bajo, el buen aislamiento acústico y térmico y su alta resistencia a los agentes atmosféricos, hacen posible el uso de los mismos en una amplia gama de aplicaciones, tales como superficies deportivas, elementos de seguridad vial, modificación de mezclas bituminosas, aislamiento, pastillas de freno o incluso para la fabricación de neumáticos nuevos. Los neumáticos son productos de diseño complejos elaborados a partir de una diversidad de componentes: cauchos, rellenos y varios aditivos, así como acero y fibras textiles. Con el fin de obtener granulados de caucho (tamaños de partícula de 1 mm a 20 mm) y polvos (tamaños de partícula por debajo de 0,8 mm), se han de realizar varias etapas de reducción de tamaño por medio de procesos mecánicos (fragmentación y trituración) y de separación del caucho de los elementos que no son de caucho (el acero se retira mediante separadores magnéticos y las fibras textiles se separan por medio sistemas de vacío). En el presente documento, el material compuesto pasivo comprende caucho micronizado obtenido a partir de neumáticos reciclados al final de su vida útil (ELT, por sus siglas en inglés) y que tiene un tamaño de partícula de entre 10 ^m y 100 ^m, que se produce mediante molienda criogénica.
Desde una perspectiva medioambiental, el uso de caucho micronizado obtenido a partir de neumáticos reciclados al final de su vida útil resulta ventajoso para gestionar correctamente estos productos posteriores al consumo y para recuperar y volver a usar sus valiosos componentes. La recuperación del caucho de los neumáticos reciclados al final de su vida útil y su micronización hasta 100 ^m mediante molienda criogénica implica una reducción del uso de materias primas fundamentales para la fabricación de órganos y tejidos artificiales (y, en consecuencia, una reducción de costes) y una contribución a la reducción de residuos y gestión sostenible de residuos.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, el material compuesto pasivo comprende el primer y segundo polvos seleccionados homogéneamente distribuidos dentro de la matriz de polímero y, en la Etapa a), la fracción volumétrica de polvo máxima del material compuesto pasivo se determina mediante el mezclado, en un mezclador orbital de alta velocidad, del primer y segundo polvos seleccionados, obteniendo, de este modo, una mezcla de polvos para el material compuesto pasivo y el componente A de la matriz de polímero con la fracción volumétrica de mezcla de polvo aumentada gradualmente a una temperatura que varía entre 0 °C y 40 °C y a presión ambiente hasta que se alcanza una fracción volumétrica de polvo donde el componente A de la matriz de polímero y la mezcla de los dos polvos no se mezclan bien.
El método de la presente invención es un método de fabricación flexible y sencillo capaz de cubrir toda la gama de propiedades mencionadas anteriormente, al tiempo que evita los problemas de homogeneización encontrados por los métodos clásicos en la región de fracción volumétrica de polvo baja y el uso de polvos con un tamaño de partícula muy pequeño. Además, el método de la presente invención también permite alcanzar valores altos de la fracción volumétrica de polvo de partículas en el material compuesto pasivo mediante el uso de una técnica de mezclado y desgasificación compatible con la fabricación de transductores. El método de la presente invención excluye el uso de altas temperaturas o altas presiones que puedan afectar al componente piezoeléctrico del transductor y el uso de sistemas de desgasificación al vacío que no sean eficaces para valores altos de la fracción volumétrica de polvo de partículas. Las etapas de mezclado usan un mezclador orbital de alta velocidad que garantiza un mezclado y una homogeneización completas y la eliminación de cualquier aire atrapado en la mezcla. Este mezclador presenta la ventaja adicional de ser lo suficientemente rápido (los tiempos de mezclado son normalmente por debajo de 3 minutos), por lo que este mezclador también es compatible con polímeros de curado rápido.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, la etapa de fabricación comprende:
- mezclar el componente A de la matriz de polímero con el primer polvo seleccionado en un mezclador orbital de alta velocidad durante un periodo de tiempo entre 2 min y 3 min y con una velocidad creciente, en donde el intervalo de fracción volumétrica de polvo es el intervalo de fracción volumétrica de polvo óptima obtenido en la Etapa e);
- añadir el componente B de la matriz de polímero a la mezcla obtenida en la etapa anterior mediante el mezclado en un mezclador orbital de alta velocidad durante un periodo de tiempo entre 2 min y 3 min y el aumento de la velocidad; y
- curar, en un horno, la mezcla obtenida en la etapa anterior en al menos un molde a la temperatura de curado de la matriz de polímero.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, en la etapa de fabricación, se mezcla el componente A de la matriz de polímero con el primer y segundo polvos seleccionados en un mezclador orbital de alta velocidad durante un periodo de tiempo entre 2 min y 3 min y con velocidad creciente, en donde el intervalo de fracción volumétrica de polvo es el intervalo de fracción volumétrica de polvo óptima obtenido en las Etapas e) e i).
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, la etapa de determinar la fracción volumétrica de polvo mínima del material compuesto pasivo se realiza en un dispositivo de procesamiento de datos por medio de un modelo de Krieger y Dougherty que impone la viscosidad del material compuesto pasivo que evita el desplazamiento de las partículas del polvo durante el curado del polímero.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, la viscosidad del material compuesto pasivo se mide en un viscosímetro.
En otra realización preferida del método de fabricación de la invención, la etapa de determinar el coeficiente de atenuación y/o la impedancia acústica del material compuesto pasivo se realiza:
• por medio de una instalación ultrasónica de inmersión en agua, o
• en un dispositivo de procesamiento de datos, mediante simulaciones informáticas iterativas usando el modelo de Hashin-Shtrikman o el modelo de Aproximación Potencial Coherente.
Otro aspecto de la presente invención se refiere a un sistema (en el presente documento, el sistema de la invención) configurado para llevar a cabo las etapas del método de fabricación de la invención, comprendiendo dicho sistema:
• un dispositivo de procesamiento de datos configurado para llevar a cabo la etapa de determinar el polvo y la fracción volumétrica de polvo óptima para el mezclado con la matriz de polímero del método de fabricación de la invención;
• un mezclador orbital de alta velocidad configurado para mezclar la matriz de polímero y el primer y/o segundo polvos seleccionados para la determinación de la fracción volumétrica de polvo máxima del material compuesto pasivo y para la fabricación, y
• un horno con al menos un molde configurado para curar la matriz de polímero.
Otro aspecto de la invención se refiere a un programa informático (en el presente documento, el programa informático de la invención) que comprende instrucciones a realizar mediante el dispositivo de procesamiento de datos del sistema de la invención para llevar a cabo la etapa de determinar el polvo y la fracción volumétrica de polvo óptima para el mezclado con la matriz de polímero del método de fabricación de la invención.
Un último aspecto de la invención se refiere a un soporte de datos legibles por ordenador (en el presente documento, el soporte de datos legibles por ordenador de la invención) que tiene almacenado en el mismo el programa informático de la invención.
A menos que se defina de otra manera, todos los términos y las expresiones científicas y técnicas usadas en el presente documento tienen los mismos significados que el que entiende comúnmente un experto habitual en la materia a la que pertenece la presente invención. En la práctica de la presente invención, se pueden usar métodos y materiales similares o equivalentes a aquellos que se describen en el presente documento. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones, la palabra "comprende" y sus variaciones no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o etapas. Los objetos, las ventajas y las características adicionales de la invención resultarán evidentes para aquellos expertos en la materia tras el examen de la descripción o se pueden aprender mediante la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración y no pretenden ser limitantes de la presente invención.
EJEMPLOS
Ejemplo 1
Determinación de los límites de fracción volumétrica de polvo m^áx y $min.
Se prepararon muestras de material compuesto a partir de dos resinas de epoxi diferentes y se consideraron diez materiales de polvo diferentes. Las propiedades se muestran en la Tabla 1 y 2.
Tabla 1. Propiedades de los polímeros empleados para determinar los límites de fracción volumétrica
Tabla 2. Materiales de polvo usados para determinar los límites de fracción volumétrica
En todos los casos, el mezclado se realiza a 25 °C, usando un mezclador orbital de alta velocidad (DAC 150 SpeedMixer de Hauschild). El protocolo de mezclado seguido es: 40 s a 1.800 rpm 40 s a 2.000 rpm 40 s a 2.300 rpm.
En el caso de un polímero y un polvo dados, la fracción volumétrica de polvo se aumenta gradualmente y la mezcla se mezcla tal como se ha mencionado anteriormente, hasta que se alcanza una fracción volumétrica donde los componentes no están bien mezclados. Este valor se toma como ^máx. Los resultados se muestran en la Tabla 3.
Con el fin de determinar ^mín, se debe conocer la viscosidad del polímero durante el curado. Estos datos pueden ser proporcionados por el fabricante o medidos directamente. Se usó un Haake Viscotester IQ para medir la viscosidad del polímero durante el curado. Los componentes se mezclan tal como se ha explicado anteriormente y la viscosidad de una muestra de esta mezcla se mide a partir de t = 2 min (tiempo para mezclar los componentes) hasta 4 veces el tiempo de vida útil proporcionado por el fabricante. Los resultados se muestran en la Tabla 3.
En este caso, ^mín se calcula usando la Fórmula (1) y la viscosidad medida del polímero (frente al tiempo de curado, mencionado en el párrafo anterior), para calcular "d" frente a ^mín. La condición impuesta de que "d" (obtenida a partir de la Fórmula 1) debe ser menor de 1/20 de la longitud de onda ultrasónica en la frecuencia central del transductor ultrasónico (1 MHz en este caso) permite obtener ^mín.
Tabla 3. Fracciones volumétrica mínimas y máximas aceptables para la carga de una resina de epoxi.
Ejemplo 2. Diseño de contramasas
En todos los casos, las muestras se fabricaron con diferentes materiales de polvo y diferentes fracciones volumétricas cuando se fabricaron.
Si se van a usar diferentes polvos, entonces los polvos se mezclan primero a mano. A continuación, el polvo resultante se mezcla con el componente de epoxi A y se mezcla en el mezclador orbital de alta velocidad: 40 s a 1.800 rpm, 40 s a 2.000 rpm y 40 s a 2.300 rpm. A continuación, se añade la parte B y se vuelve a mezclar. La muestra se deja curar en un molde en forma de disco. Se fabricaron discos de 40 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Por último, la muestra se pule usando una pulidora Saphir 250 A1-Eco. A continuación, los discos se pesan y miden en un tanque de agua ultrasónico convencional en modo de transmisión usando un transductor de inmersión de banda ancha centrado a 3,5 MHz.
2.1. Diseño y fabricación de materiales compuestos pesados para contramasas con valores de impedancia acústica en el intervalo de 10 a 22 MRayl.
En este caso, resulta posible cubrir toda la gama de propiedades demandadas mediante el uso de polvo de wolframio (12 ^m) y polvo de alúmina (5 ^m) con EpoxAmite. Las muestras fabricadas y los valores de impedancia acústica medidos se muestran en la Tabla 4.
En este caso, resulta de interés la muestra con una impedancia acústica de 10,9 MRayl. Este valor de impedancia acústica se puede lograr mediante el uso de únicamente polvo de wolframio, pero la fracción volumétrica debe ser menor de ^mín (véase la Tabla 3), por lo que esto podría comprometer la distribución homogénea de las partículas en el material compuesto. Por otro lado, este compuesto también se podría obtener mediante la carga del polímero con polvo de alúmina, pero, en este caso, la fracción volumétrica requerida es mayor de ^máx (Tabla 3), por lo que este material compuesto no se puede fabricar con la técnica propuesta.
Las alternativas pueden ser el uso de polvo de wolframio con un tamaño de partícula más pequeño o un polímero más viscoso. Con el fin de evitar estas alternativas (por las razones mencionadas anteriormente), la presente invención propone el uso de una mezcla de polvo de wolframio y alúmina con una fracción volumétrica total de partículas de 0,48, mayor de ^mín y menor de ^máx.
En este caso, ^mín se calcula de la siguiente manera. En primer lugar, ^mín, en el caso del polvo de wolframio (^ mín_wolframio) se calcula siguiendo el procedimiento anterior suponiendo que el polímero es un medio eficaz cuya viscosidad es la viscosidad dada por la mezcla de polímero y polvo de alúmina. El ^mín en el caso del polvo de alúmina (^ mín_alúmina) se calcula siguiendo el procedimiento anterior suponiendo que el polímero es un medio eficaz cuya viscosidad viene dada por la viscosidad de la mezcla de polímero y polvo de wolframio. A continuación, ^mín se obtiene como valor máximo de ^mín_wolframio y ^mín_alúmina.
Tabla 4. Impedancia acústica medida y composición de material compuesto para contramasas con valores de impedancia acústica en el intervalo de 10 a 22 MRayl.
2.2. Diseño y fabricación de materiales compuestos livianos para contramasas con valores de impedancia acústica en el intervalo de 5 a 10 MRayl.
En este caso, resulta posible cubrir toda la gama de propiedades demandadas mediante el uso de EpoxAmite con: polvo de wolframio (12 jm ), polvo de alúmina (5 jm ), polvo de óxido de cerio (5 jm ) y polvo de circonia (5 jm ). Las muestras fabricadas y los valores de impedancia acústica medidos se muestran en la Tabla 5.
En este caso, resulta de interés la muestra con una impedancia acústica de 9,1 MRayl. Este valor de impedancia acústica se puede lograr mediante el uso de únicamente polvo de wolframio, pero la fracción volumétrica debe ser menor de ^mín (véase la Tabla 3), por lo que esto podría comprometer la distribución homogénea de las partículas en el material compuesto. Por otro lado, este compuesto también se podría obtener mediante la carga del polímero con polvo de alúmina, pero, en este caso, la fracción volumétrica requerida es mayor de ^máx (Tabla 3), por lo que este material compuesto no se puede fabricar con la técnica propuesta. Las alternativas pueden ser el uso de polvo de wolframio con un tamaño de partícula más pequeño o un polímero más viscoso. Con el fin de evitar estas alternativas (por las razones mencionadas anteriormente), la presente invención propone el uso de una mezcla de polvo de wolframio y alúmina con una fracción volumétrica total de partículas de 0,32, mayor de ^mín y menor de ^máx.
Tabla 5. Impedancia acústica medida y composición de material compuesto para contramasas con valores de impedancia acústica en el intervalo de 5 a 10 MRayl.
2.3. Diseño y fabricación de materiales compuestos livianos para contramasas con valores de impedancia acústica en el intervalo de 5 a 10 MRayl.
En este caso, resulta posible cubrir toda la gama de propiedades demandadas mediante el uso de EpoxAmite con óxido de cerio (12 jm ) y polvo de circonia (5 jm ). Las muestras fabricadas y los valores de impedancia acústica medidos se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6. Impedancia acústica medida y composición de material compuesto para capas de adaptación con valores de impedancia acústica en el intervalo de 4 a 6 MRayl.
Ejemplo 3. Diseño de contramasas altamente atenuantes. Impedancia acústica en el intervalo de 4 a 16 MRayl y coeficiente de atenuación a 3 MHz en el intervalo de 1 a 14 dB/mm
En este caso, se emplean materiales compuestos trifásicos: resina de epoxi polvo de wolframio polvo de caucho. El polvo de wolframio se usa para aumentar la impedancia acústica de la resina, mientras que el polvo de caucho se usa para aumentar la atenuación. Además, la carga de polvo de caucho también se usa para estabilizar las partículas de wolframio.
En este caso, las muestras se fabricaron de la siguiente manera: en primer lugar, el polvo de wolframio se mezcla con el componente de epoxi A y se mezcla en el mezclador orbital de alta velocidad: 40 s a 1.800 rpm, 40 s a 2.000 rpm y 40 s a 2.300 rpm. A continuación, se añade el polvo de caucho y se repite el mezclado. Por último, se añade la parte B y se vuelve a mezclar. La muestra se deja curar en un molde en forma de disco. Se fabricaron discos de 40 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Por último, la muestra se pule usando una pulidora Saphir 250 A1-Eco. A continuación, los discos se pesan y miden en un tanque de agua ultrasónico convencional en modo de transmisión usando un transductor de inmersión de banda ancha centrado a 3,5 MHz.
Tabla 7. Materiales compuestos fabricados con EpoxAmite, polvo de wolframio y polvo de caucho
Tabla 8. Propiedades ultrasónicas de resina de epoxi cargada con wolframio caucho.
Ejemplo 4. Diseño de capas de adaptación de impedancia ligera con una atenuación reducida. Impedancia acústica en el intervalo de 1 a 2,5 MRayl
En este caso, resulta posible cubrir toda la gama de propiedades demandadas mediante el uso de EpoxAmite con partículas de vidrio huecas K1 y D30. En todos los casos, las muestras se fabricaron mediante el mezclado del polvo con el componente de epoxi A en el mezclador orbital de alta velocidad: 40 s a 1.800 rpm, 40 s a 2.000 rpm y 40 s a 2.300 rpm. A continuación, se añade la parte B y se vuelve a mezclar. La muestra se deja curar en un molde en forma de disco. Se fabricaron discos de 40 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Por último, la muestra se pule usando una pulidora Saphir 250 A1-Eco. A continuación, los discos se pesan y miden en un tanque de agua ultrasónico convencional en modo de transmisión usando un transductor de inmersión de banda ancha centrado a 3,5 MHz. La Tabla 9 muestra las muestras fabricadas y la impedancia acústica medida.
Tabla 9. Impedancia acústica medida y composición de material compuesto para capas de adaptación de impedancia ligera con una atenuación reducida. Impedancia acústica en el intervalo de 1 a 2,5 MRayl.
Ejemplo 5. Diseño de capas de adaptación de impedancia ligera. Impedancia acústica en el intervalo de 1,5 a 2,5 MRayl y coeficiente de atenuación mayor
En este caso, se emplean materiales compuestos trifásicos: resina de epoxi polvo de wolframio polvo de caucho. El polvo de wolframio se usa para aumentar la impedancia acústica de la resina, mientras que el polvo de caucho se usa para aumentar la atenuación. Además, la carga de polvo de caucho también se usa para estabilizar las partículas de wolframio.
En primer lugar, las burbujas de vidrio huecas se mezclan con el componente de epoxi A y se mezclan en el mezclador orbital de alta velocidad: 40 s a 1.800 rpm, 40 s a 2.000 rpm y 40 s a 2.300 rpm. A continuación, se añade el polvo de caucho y se repite el mezclado. Por último, se añade la parte B y se vuelve a mezclar. La muestra se deja curar en un molde en forma de disco. Se fabricaron discos de 40 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Por último, la muestra se pule usando una pulidora Saphir 250 A1-Eco. A continuación, los discos se pesan y miden en un tanque de agua ultrasónico convencional en modo de transmisión usando un transductor de inmersión de banda ancha centrado a 3,5 MHz. En todos los casos, se ha usado una fracción volumétrica constante de caucho = 10 %
Tabla 10. Propiedades ultrasónicas de la resina de epoxi cargada con partículas de vidrio huecas y polvo de caucho (fracción volumétrica de cte. del 10 %)
Claims (16)
- REIVINDICACIONES 1. Un método de fabricación de un material compuesto pasivo para un transductor ultrasónico, teniendo dicho transductor una frecuencia central de entre 0,02 MHz y 100 MHz y comprendiendo dicho material compuesto una matriz de polímero y un polvo o una mezcla de polvos, comprendiendo dicho método las siguientes etapas: ■ determinar la impedancia acústica objetivo y el coeficiente de atenuación objetivo del material compuesto pasivo, de dicho transductor; ■ calcular el módulo elástico, la densidad y el coeficiente de atenuación de la matriz de polímero, que comprende un componente A mezclado con un componente B; ■ determinar el polvo y la fracción volumétrica de polvo óptima para el mezclado con la matriz de polímero; - calcular el módulo elástico objetivo y la densidad objetivo mediante el uso de las expresiones: Z2= \ E\ * p - determinar una diferencia de módulo elástico (AE) entre el módulo elástico objetivo y el módulo elástico de la matriz de polímero; - determinar una diferencia de densidad (Ap) entre la densidad objetivo y la densidad de la matriz de polímero; - seleccionar un primer conjunto de posibles polvos, del tal manera que: - si la diferencia de módulo elástico y la diferencia de densidad son mayores de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico y una densidad superiores a los de la matriz polimérica; - si la diferencia de módulo elástico es mayor de 0 y la diferencia de densidad es menor de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico superior al de la matriz polimérica y una densidad inferior a la de la matriz polimérica; - si la diferencia de módulo elástico es menor de 0 y la diferencia de densidad es mayor de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico inferior o superior al de la matriz polimérica y una densidad superior a la de la matriz polimérica; y - si la diferencia de módulo elástico y la diferencia de densidad son menores de 0, el primer conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un módulo elástico y una densidad inferiores a los de la matriz polimérica; - seleccionar un primer polvo del primer conjunto de posibles polvos; a) determinar una fracción volumétrica de polvo máxima (0m) para el primer polvo seleccionado como la fracción volumétrica para la que la viscosidad aumenta abruptamente y el mezclado de la mezcla se vuelve imposible cuando se mezcla, en un mezclador orbital de alta velocidad, el componente A de la matriz de polímero con la fracción volumétrica de polvo aumentada gradualmente a una temperatura que varía entre 0 °C y 40 °C y a presión ambiente; b) determinar una fracción volumétrica de polvo mínima para el primer polvo seleccionado como la fracción volumétrica en la que el desplazamiento de las partículas de polvo durante el curado del polímero es menor de 1/20 de la longitud de onda ultrasónica en la frecuencia central del transductor ultrasónico, en donde el desplazamiento se calcula mediante la siguiente Fórmula (1)dondepp ypfson la densidad de las partículas y el polímero,gla aceleración de la gravedad yRel radio de las partículas, en donde la viscosidad del material compuesto pasivo se calcula mediante el uso de la viscosidad de la matriz polimérica (gpoiímero) y la fracción volumétrica de polvo en cada momento (0); c) determinar el módulo elástico resultante y la densidad resultante de la mezcla en función de la fracción volumétrica de polvo del primer polvo seleccionado; d) determinar la impedancia acústica a partir del módulo elástico y la densidad resultantes; e) determinar la fracción volumétrica de polvo óptima para el primer polvo seleccionado como fracción volumétrica de polvo para la que el módulo elástico y la densidad coinciden con el módulo elástico objetivo y la densidad objetivo; - si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo mínima e inferior a la fracción volumétrica de polvo máxima, continuar con la etapa de fabricación; - si la fracción volumétrica de polvo óptima es inferior a la fracción volumétrica de polvo mínima: - si el primer polvo seleccionado tiene un módulo elástico, una densidad e impedancia superiores a los de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior o seleccionando el primer polvo seleccionado inicialmente y diferentes polvos del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior; - si el primer polvo seleccionado tiene una impedancia inferior a la de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior o seleccionando el primer polvo inicialmente y un polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior; - si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo máxima: - si el primer polvo seleccionado tiene una impedancia superior a la de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior o seleccionando el primer polvo inicialmente y un polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia superior; - si el primer polvo seleccionado tiene una impedancia inferior a la de la matriz polimérica; repetir las Etapas a) a d) seleccionando un primer polvo diferente del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior o seleccionando el primer polvo seleccionado inicialmente y diferentes polvos del primer conjunto de polvos con una impedancia inferior; ■ fabricar el material compuesto pasivo que comprende la matriz de polímero y la fracción volumétrica de polvo óptima del primer polvo seleccionado mediante el mezclado de la matriz de polímero con el primer polvo seleccionado y el curado.
- 2. El método de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, las etapas de: - determinar un coeficiente de atenuación objetivo del material compuesto pasivo; - determinar una diferencia entre el coeficiente de atenuación objetivo y el coeficiente de atenuación de la matriz de polímero mezclada con el primer polvo seleccionado; - seleccionar un segundo conjunto de posibles polvos, de tal manera que: - si la diferencia de coeficiente de atenuación es mayor de 0, el segundo conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un coeficiente de atenuación superior al de la matriz polimérica o se reemplaza la matriz de polímero usada por un polímero diferente con un coeficiente de atenuación mayor; - si la diferencia de coeficiente de atenuación es menor de 0, el segundo conjunto de posibles polvos seleccionados tiene un coeficiente de atenuación inferior al de la matriz polimérica o se reemplaza la matriz de polímero usada por un polímero diferente con un coeficiente de atenuación inferior; - seleccionar un segundo polvo del segundo conjunto de posibles polvos; f) determinar una fracción volumétrica de polvo máxima para el segundo polvo seleccionado de la misma manera que en la Etapa a); g) determinar una fracción volumétrica de polvo mínima para el segundo polvo seleccionado de la misma manera que en la Etapa b); h) determinar el coeficiente de atenuación resultante del material compuesto pasivo en función de la fracción volumétrica de polvo del segundo polvo seleccionado; i) determinar la fracción volumétrica de polvo óptima para el segundo polvo seleccionado como fracción volumétrica de polvo para la que la diferencia de coeficiente de atenuación es 0; - si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo mínima e inferior a la fracción volumétrica de polvo máxima, continuar con la etapa de fabricación; - si la fracción volumétrica de polvo óptima es inferior a la fracción volumétrica de polvo mínima: - si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación superior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación inferior; - si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación inferior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación superior; - si la fracción volumétrica de polvo óptima es superior a la fracción volumétrica de polvo máxima: - si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación superior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación superior; - si el segundo polvo seleccionado tiene un coeficiente de atenuación inferior al de la matriz polimérica; repetir las Etapas f) a h) seleccionar un segundo polvo diferente con un coeficiente de atenuación inferior.
- 3. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde si ninguno de los polvos del primer y segundo conjuntos de posibles polvos permite alcanzar la deformación elástica, la densidad y/o el coeficiente de atenuación objetivos, se repite el método desde la etapa de selección de la matriz de polímero, seleccionando una matriz de polímero diferente.
- 4. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde si ninguno de los polvos del primer y segundo conjuntos de posibles polvos permite alcanzar la deformación elástica, la densidad y/o el coeficiente de atenuación objetivos, se selecciona el polvo del primer o segundo conjuntos de polvos posibles que permite alcanzar la deformación elástica, la densidad y/o el coeficiente de atenuación más cercanos usando una fracción volumétrica de polvo entre la fracción volumétrica de polvo máxima y la fracción volumétrica de polvo mínima.
- 5. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la matriz de polímero se selecciona de una resina de epoxi, un caucho de poliuretano o un caucho de silicona o cualquier polímero similar.
- 6. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el polvo se selecciona de • un polvo metálico, preferentemente un polvo de wolframio, • titanato de plomo, • un polvo cerámico, preferentemente polvo de óxido de cerio, polvo de circonia, polvo de óxido de titanio o polvo de alúmina, • microesferas de vidrio huecas o microesferas de polímero huecas, • un polvo polimérico, opreferentemente un polímero micronizado, opreferentemente polvo de caucho micronizado, polvo de resina o polvo de poliuretano.
- 7. El método de fabricación de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el material compuesto pasivo comprende polvo de caucho micronizado obtenido a partir de neumáticos reciclados al final de su vida útil que tiene un tamaño de partícula de entre 1 ^m y 100 ^m.
- 8. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el material compuesto pasivo comprende el primer y segundo polvos seleccionados homogéneamente distribuidos dentro de la matriz de polímero y en donde: • en la Etapa a), la fracción volumétrica de polvo máxima del material compuesto pasivo se determina mediante el mezclado, en un mezclador orbital de alta velocidad, del primer y segundo polvos seleccionados, obteniendo, de este modo, una mezcla de polvos para el material compuesto pasivo y el componente A de la matriz de polímero con la fracción volumétrica de mezcla de polvo aumentada gradualmente a una temperatura que varía entre 0 °C y 40 °C y a presión ambiente hasta que se alcanza una fracción volumétrica de polvo donde el componente A de la matriz de polímero y la mezcla de los dos polvos no se mezclan bien.
- 9. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde la etapa de fabricación comprende: - mezclar el componente A de la matriz de polímero con el primer polvo seleccionado en un mezclador orbital de alta velocidad durante un periodo de tiempo entre 2 min y 3 min y con una velocidad creciente, en donde el intervalo de fracción volumétrica de polvo es el intervalo de fracción volumétrica de polvo óptima obtenido en la Etapa e); - añadir el componente B de la matriz de polímero a la mezcla obtenida en la etapa anterior mediante el mezclado en un mezclador orbital de alta velocidad durante un periodo de tiempo entre 2 min y 3 min y el aumento de la velocidad; y - curar, en un horno, la mezcla obtenida en la etapa anterior en al menos un molde a la temperatura de curado de la matriz de polímero.
- 10. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde, en la etapa de fabricación, se mezcla el componente A de la matriz de polímero con el primer y segundo polvos seleccionados en un mezclador orbital de alta velocidad durante un periodo de tiempo entre 2 min y 3 min y con velocidad creciente, en donde el intervalo de fracción volumétrica de polvo es el intervalo de fracción volumétrica de polvo óptima obtenido en las Etapas e) e i).
- 11. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la etapa de determinar la fracción volumétrica de polvo mínima del material compuesto pasivo se realiza en un dispositivo de procesamiento de datos por medio de un modelo de Krieger y Dougherty que impone la viscosidad del material compuesto pasivo que evita el desplazamiento de las partículas del polvo durante el curado del polímero.
- 12. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la viscosidad del material compuesto pasivo se mide en un viscosímetro.
- 13. El método de fabricación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde la etapa de determinar el coeficiente de atenuación y/o la impedancia acústica del material compuesto pasivo se realiza: • por medio de una instalación ultrasónica de inmersión en agua, o • en un dispositivo de procesamiento de datos, mediante simulaciones informáticas iterativas usando el modelo de Hashin-Shtrikman o el modelo de Aproximación Potencial Coherente.
- 14. Un sistema configurado para llevar a cabo las etapas del método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende: • un dispositivo de procesamiento de datos configurado para llevar a cabo la etapa de determinar el polvo y la fracción volumétrica de polvo óptima para el mezclado con la matriz de polímero del método de fabricación de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 13; • un mezclador orbital de alta velocidad configurado para mezclar la matriz de polímero y el primer y/o segundo polvos seleccionados para la determinación de la fracción volumétrica de polvo máxima del material compuesto pasivo y para la fabricación, y • un horno con al menos un molde configurado para curar la matriz de polímero.
- 15. Un programa informático que comprende instrucciones a realizar mediante el dispositivo de procesamiento de datos del sistema de acuerdo con la reivindicación 14 para llevar a cabo la etapa de determinar el polvo y la fracción volumétrica de polvo óptima para el mezclado con la matriz de polímero del método de fabricación de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 13.
- 16. Un soporte de datos legibles por ordenador que tiene almacenado en el mismo el programa informático de la reivindicación 15.
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-
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-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2101315A1 (en) * | 2008-03-10 | 2009-09-16 | LATI Industria Termoplastici S.p.A. | Thermoplastic resin composition with improved acoustic properties |
| EP3929578A1 (en) * | 2019-02-20 | 2021-12-29 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas (CSIC) | Laminar structure as part of a piezoelectric ultrasonic transducer |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| AMINI MOHAMMAD ET AL. Porous ceramics as backing element for high-temperature transducers. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 20150201 IEEE, USA. , 01/02/2015, Vol. 62, Páginas 360 - 372 ISSN 0885-3010, (DOI: doi:10.1109/TUFFC.2014.006711) * |
| BOUBENIA R ET AL. Particulate Metal Composites as Backing for Ultrasonic Transducers for Continuous Nondestructive Measurements at Moderate and High Temperatures. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 20200529 IEEE, USA. , 29/05/2020, Vol. 67, Páginas 2164 - 2175 ISSN 0885-3010, (DOI: doi:10.1109/TUFFC.2020.2998768) * |
| PARK JAE-HYEONG ET AL. Acoustic Matching Layer Films Using B-Stage Thermosetting Polymer Resins for Ultrasound Transducer Applications. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 20200601 IEEE, USA. , 01/06/2020, Vol. 67, Páginas 2148 - 2154 ISSN 0885-3010, (DOI: doi:10.1109/TUFFC.2020.2999178) * |
| ZHAO JIANXIN ET AL. Ultrawide Bandwidth High-Frequency Ultrasonic Transducers With Gradient Acoustic Impedance Matching Layer for Biomedical Imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 20220112 IEEE, USA. , 12/01/2022, Vol. 69, Páginas 1952 - 1959 ISSN 0885-3010, (DOI: doi:10.1109/TUFFC.2022.3141203) * |
Also Published As
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|---|---|---|---|
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