[发明专利]一种新型石墨烯超声波探头

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型石墨烯超声波探头。

背景技术

随着工业技术的不断发展进步，产品的质量越来越受到人们重视，相应的对产品质量检 测手段的要求也越来越高。超声波检测技术作为常规的五大无损检测技术之一，是利用超声 波在介质中的传播性质对材料或构件中的缺陷和异常进行检测，由于超声波的穿透能力强、 对材料和人体无害、使用方便等特点，被广泛应用于材料、机械、石油化工、宇航、能源等 领域。超声波探头作为产生与接收超声波的元器件，是组成超声检测系统的重要组件之一， 按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声 波探头原理是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械 振动，从而产生超声波，可作为发射探头；正压电效应将超声振动波转换成电信号，可作为 接收探头。超声波探头的性能直接影响发射超声波的特性，影响超声波的检测能力和缺陷检 测的准确性，因此，对超声波探头的设计与制作对于超声波检测的可靠性至关重要。

目前，国内外压电式超声波探头常用的材料为压电晶体和压电陶瓷，但是由于压电陶瓷 硬且脆，通常粘在某种金属片上一起构成压电振子，并且脆性大、与本体材料相容性差，易 在分界面处造成损伤和断裂。压电晶体中应用最广泛最具代表性的属石英晶体，但是石英晶 体压电常数较低，应用范围被限制，居里温度虽然为573℃，但是只能在350℃以下使用， 当温度高于350℃时，孪晶的产生将使得石英晶体的压电性能急剧恶化。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种能够在高温条件下使用，且使用寿命长的新型超声波探头。 该超声波探头以氮化石墨烯(g-C3N4)作为压电层材料，可在较高的温度环境下使用，由 于氮化石墨烯的柔韧性好、强度高且稳定，因此压电体不易损坏，延长了探头的使用寿命； 氮化石墨烯作为目前最薄的压电材料，在压电晶片材料厚度与超声波频率的乘积为常数的条 件下，压电晶片厚度越小，可发出或接收的超声波频率就高，因此，可制作出高频超声波探 头。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种新型石墨烯超声波探头，包括接插件、外壳、背衬层、引线、压电层、隔离层、匹 配层；所述压电层被隔离层分成接收超声波压电层和发射超声波压电层，所述背衬层位于压 电层顶表面，所述的匹配层位于压电层底表面；所述压电层的压电晶片以二维矩阵的形式布 置，其特征在于所述压电晶片的材料为氮化石墨烯。

本发明所述石墨烯超声波探头为双晶直探头。

氮化石墨烯(g-C3N4)采用半封闭法热解前驱体，通过其自身的缩聚过程制备。所述 前驱体主要有双氰氨、三聚氰胺或尿素等含氮物质。氮化石墨烯的制备可以参照“王涛等, 层状石墨相g-C3N4氮化碳的简易制备和表征[J],材料导报,2012,26(S1):36-38”。氮化石墨 烯(g-C₃N₄)加工成一定尺寸的氮化石墨烯压电晶片后以二维矩阵形式布置得到压电层。匹 配层主要作用为提高探头灵敏度，减少信号失真，实现声阻抗过渡或匹配。所述匹配层由聚 合物和固体颗粒组成的复合材料填充而成，可以调节复合材料中各组分的比例来调节匹配层 的声阻抗。其中作为基体的聚合物采用有机硅树脂或环氧树脂等材料，固体颗粒采用钨粉作 为填料，钨粉占复合材料的总体积的5％～25％；优选的，匹配层由环氧树脂和钨粉组成的 复合材料填充，钨粉占复合材料的总体积的15％；可根据待检查对象的需要调节钨粉体积分 数，使得匹配材料与待检查对象的声阻抗差达到最小。当钨粉体积分数从0增加到15％时， 声阻抗从3.065MRayl增加到5.609MRayl；对钨粉进行120℃高温退火处理后，阻抗值达到 6.693MRayl，能够很好满足高频超声波探头的要求。

所述背衬层包括板状石墨烯支撑框架，板状石墨烯框架设有多行与压电层平行、用于填 充背衬材料的方形框，在板状石墨烯支撑框架的方形框中填充背衬材料。

优选的，处于同一行的方形框等间距排列，且相邻两行的方形框呈对应空位的交错排 列。