[发明专利]一种弹性波阻抗匹配与阻尼吸收梯度材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种弹性波减振和吸波领域阻尼吸收层材料的制备方法，是一种弹性波阻抗匹配与阻尼吸收梯度材料的制备方法。

背景技术

弹性波的阻抗匹配、阻尼和吸收材料在工农业生产和科研领域具有广泛的应用。作为弹性波在两种不同介质间传播的耦合材料，希望其两个界面的波阻抗值分别与两种介质的的波阻抗值相同或相近，即阻抗匹配，而耦合材料内部的波阻抗则单调连续变化，即波阻抗梯度变化；作为弹性波的吸收材料，同样要求其面向入射波方向的表面与相邻介质波阻抗匹配，并且要求其内部的波阻抗和衰减系数从匹配功能层到吸收功能层梯度变化。吸收功能层要求对该频段弹性波有较高的吸收或衰减系数。对上述材料无论基于何种应用要求，均希望其波阻抗和衰减系数能人为控制并且梯度变化，其目的是有效控制入射波的反射、透射比例和吸收耗散程度。

以超声无损检测探头中的阻尼吸收材料为例，在电脉冲激励下，其中的压电晶片同时向前、后辐射弹性脉冲波。前向辐射的弹性脉冲用于超声无损检测，而后向辐射的弹性脉冲则希望由阻尼吸收材料迅速吸收耗散，否则该弹性脉冲经反射后会叠加到晶片的前向辐射脉冲上，使前向辐射脉冲展宽，显著降低超声探头的特性或品质。作为压电晶片背向的阻尼吸收材料(或层)，理想状态应由两个功能层构成，即紧邻压电晶片的阻抗匹配层和后面的阻尼吸收层，前者表面波阻抗与压电晶片相同或相近，以减少晶片背向辐射的反射(或增加透射)；后者要求有高的波衰减系数，以增加对晶片背向辐射的阻尼吸收效果，并且整个阻尼吸收层的波阻抗和衰减系数呈现梯度变化。

目前，波阻抗和衰减系数梯度材料主要有两种制备方法：

一种为多层构造，通过将波阻抗值依次变化的薄层粘结复合在一起制成两端声阻抗值不同的声阻抗梯度材料，例如申请号为200480005788.X，名称为《具有匹配的声阻抗的装置及方法》的专利中所述的方法。

该方法具有较为明显的缺点：即材料内部各层之间波阻抗值并非连续变化，声波通过层间会有不同程度的反射，不能算是完全意义上的波阻抗梯度材料。

另一种为使用声学材料颗粒与高分子粘结剂混合后在重力作用下使颗粒按比重形成梯度分布，进而获得波阻抗梯度材料，如申请号为200820151708.7，名称为《声阻抗连续变化的超声换能器》中所述的方法。由于该方法采用声学颗粒材料与高分子粘结剂湿混合方式，其中的粘结剂粘度高，流动性差，导致所制备的功能材料梯度效果有限。并且，粘结剂的湿混合也无法有效控制其加入量和使其均匀分布，从而使所制备材料波阻抗的可调节范围较小，应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种弹性波阻抗匹配和阻尼吸收梯度材料的制备方法，

本发明根据所匹配或耦合介质的波阻抗值要求，或待吸收弹性波的频谱和吸收量要求，依据波阻抗R＝ρc，其中ρ为介质密度，c为弹性波在介质中的传播速度。制备材料的吸收和衰减量值则主要通过控制其中粘滞和散射组分的比例来实现。

为实现本发明的目的，其采用的技术方案如下：

首先，选择不同密度和粒度的金属、非金属以及高分材料的粉末作为制备弹性波阻尼吸收材料的组分，选择粉状热塑性酚醛树脂作为各组份粉末颗粒的粘结剂。按在组分材料粉末表面附着4μm厚的粘结剂为标准，根据不同粉末颗粒的直径和密度得出粘结剂在该粉末颗粒中相应的添加量。将每一种粉末颗粒及其相应添加量的粘结剂，首先在常温下进行干混合，然后逐步将温度提高到140～160℃，继续混合。由于热塑性酚醛树脂中苯酚与甲醛的摩尔比远大于1，导致加热时甲醛分解的亚甲基“-CH2-”严重不足，无法实现网状交链反应，因此属热塑性树脂。热混的目的是使热塑性酚醛树脂液化后均匀包覆在粉末颗粒的表面。待粉末颗粒与粘结剂混合均匀后，降低温度至100～110℃之间，并在此温度下加入粘结剂重量18％的六亚甲基四胺(乌洛托品)，继续混合，均匀后降至室温，并将结块的物料粉碎、筛选。

功能梯度层的形成是利用在一定粘度液体中不同密度，不同粒度的粉末颗粒具有不同的沉降速率的原理，即斯托克斯定律

v＝(ρ_s-ρ_l)D²g/18η

其中，v为粉末颗粒的沉降速率；ρ_s和ρ_l分别为粉末颗粒和沉降液体的密度；D为粉末颗粒的等效直径；η为沉降液体的粘度系数；g为重力加速度。