[发明专利]一种定量控制压电陶瓷球壳表面纤维层声阻抗和径向应力的方法

说明书

本发明提供一种定量控制压电陶瓷球壳表面纤维层声阻抗和径向应力的方法，包括通过纤维与纤维粘结剂的种类和体积比确定纤维层的声阻抗，通过纤维粘结剂层的厚度和预应力需求确定热压成型容器中的压力，进而实现预应力的施加与纤维层固化的工艺。本发明可以利用纤维材料包覆压电陶瓷球壳，通过热压成型实现压电陶瓷球壳表面径向预应力的定量控制，具备设备要求低、方法简单、适用范围广等优势。

技术领域

本发明涉及超声波传感器技术领域，具体涉及一种定量控制压电陶瓷球壳表面纤维层声阻抗和径向应力的方法。

背景技术

压电陶瓷具有独特的机电互换特性，在制备为超声波传感器后，被广泛用于医疗、在超声探测领域具有广泛的应用价值。当压电陶瓷制备为球壳形状时，具有大指向性开角，有利于用最少的换能器和最简单的布局实现全域无盲区检测。为了提高压电陶瓷球壳的探测距离，需要提高其声学发射能力。一种有效的方式为通过提高施加到压电陶瓷球壳表面的电压。然而压电陶瓷抗张能力较低，电压过过大，易产生脆性断裂。通过施加预应力来提高压电陶瓷球壳的机械极限可以有效提高压电陶瓷球壳的声学发射能力。

同时，压电陶瓷的声阻抗通常远大于其应用媒介，如水、空气或皮肤，导致复杂的声学反射，造成声能损失。增加纤维层时，复合压电陶瓷球壳的声阻抗有效降低，可以降低压电陶瓷与目标媒介之间的声阻抗失配，进而提高到达应用媒介的声能。

发明内容

针对已有的压电陶瓷球壳自身抗张强度低，且压电陶瓷与应用媒介间声阻抗失配的缺陷，本发明提供一种利用热压成型在压电陶瓷球壳表面定量控制纤维层声阻抗和径向应力的方法。利用纤维和纤维粘结剂体积比定量控制压电陶瓷圆管表面纤维层的声阻抗，有利于降低压电陶瓷与应用媒介间的阻抗失配，利用热压成型定量控制压电陶瓷表面的径向预应力，有利于提高换能器的声学发射能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种定量控制压电陶瓷球壳表面纤维层声阻抗和径向应力的方法，包括以下步骤：

（1）确定压电陶瓷球壳的尺寸，查询压电陶瓷和使用媒介的声阻抗，进而明确纤维层声阻抗的取值范围。取中间值为最优纤维层声阻抗，根据纤维层声阻抗确定纤维和纤维粘结剂的种类及其体积比；

（2）配置纤维粘结剂，按照纤维和纤维粘结剂的体积比将纤维布浸润到纤维粘结剂中；

（3）利用硬质模具将球壳补充为完整球体，并利用孔隙粘结剂黏结缝隙，以免纤维粘结剂溢流至内腔，污染内壁；

（4）将浸润了纤维粘结剂的纤维均匀包覆在压电陶瓷球壳表面；

（5）利用高弹性材料包覆纤维层和硬质模具，促使纤维与压电陶瓷球壳紧密接触；

（6）根据纤维的厚度、压电陶瓷球壳的外半径、纤维和纤维粘结剂的体积比，确定纤维粘结剂的预期厚度；

（7）根据预期预应力需求，确定热压成型容器需要达到的压力值；

（8）将纤维包覆的压电陶瓷球壳置入热压成型容器，设置压力值、固化温度和固化时间；

（9）固化完成后，拆除纤维层表面的弹性包覆膜，清除孔隙粘结剂和模具。

优选地，所述的步骤（1）中纤维层的声阻抗Z介于压电陶瓷的声阻抗 Z_c和目标媒介Z_m之间，且满足：

,

通常取中间值 为最优纤维层声阻抗值。

优选地，所述的步骤（1）中纤维的种类为玻璃纤维、尼龙纤维、碳纤维或芳纶纤维。

优选地，所述的步骤（1）中纤维粘结剂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、聚丙烯酸树脂或聚氯乙烯树脂。

优选地，所述的步骤（1）中纤维和纤维粘结剂的体积比的确定方法为：

①查询纤维的声速和密度，计算其声阻抗 :

②查询纤维粘结剂的声速 和密度，计算其声阻抗 :