本发明属于超声技术领域。具体涉及一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。
背景技术：
超声技术在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用。超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将声信号转换为电信号的能量转换器件，超声换能器是基础和关键的声学部件之一。超声换能器主要包括包括外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆。通过设计合理的声匹配层，可以使人体检测目标和压电晶片之间的声能透过率得到大幅度提高，实现声阻抗过渡或匹配，使换能器的频带得到展宽，灵敏度得到提高，失真得到减小。匹配层对超声换能器的性能起着至关重要的作用，各国科技工作者一直不断地努力寻求理想超声换能器声匹配层材料。
牛今丹等人(牛今丹，超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[d].哈尔滨工业大学,2014.)采用刮刀法制备了al2o3/聚合物声匹配材料，特性声阻抗由氧化铝含量5％时的3.75mrayl增加到20％时的4.84mrayl，当氧化铝粉末体积分数增加时声阻抗也随之增加，并且与体积分数成线性正比。但是该类材料仅能在常温常压条件下使用，且其本征带宽最高只能达到80％左右。“一种超声超声换能器匹配层及其制造方法”(cn107107108a)的专利技术，公开了一种厚度由限定的单分散颗粒单层来限定的声匹配材料，该专利技术存在以下缺点：(1)厚度由限定的单分散颗粒单层来限定，导致厚度不可控；(2)单分散颗粒为刚性颗粒，声音传递性能优异，导致超声换能器灵明度低。
目前，在超声匹配层研究领域，存在以下问题亟待解决：(1)高效、宽带(>110％)导通的匹配材料尚处于产品空白阶段，已成为超声换能器技术的瓶颈。随着弛豫型两相及三相固熔体铁电单晶被我国上海硅酸盐研究所、北京人工晶体所等单位研发和生产，所述单晶制作的超声换能器的带宽具有超过110％的潜力，可望极大地提高超声换能器的分辨率和灵敏度。但是相比之下，现有声匹配材料(带宽<80％)设计已无法满足要求。为使弛豫铁电单晶能够发挥出它的优势，高效、宽带(>110％)导通的透声(匹配)材料是必不可少的，也是突破超声换能器技术的瓶颈。(2)目前超声匹配层填料单一，无法制备具有合适阻抗梯度的匹配层材料。匹配层的应用形成了从压电材料到目标物的一个过渡，共有从高到低三段声阻抗率数值，即zi>10mrayl的高段、10mrayl>zi>3.5mrayl的中段和zi<3.5mrayl的低段。铝、石英、玻璃和无机非金属材料等可选作高段匹配层使用，塑料可选作低段匹配层使用，但是目前未有优异性能的中段匹配层。声阻抗梯度材料本身具有高频导通的特性，具有合适阻抗梯度的匹配层能够比目前国际主流使用的单层匹配层更好地提升换能器性能，然而，具有该类特性的填料未能被开发，严重制约超声换能器的性能发展。(3)亟需发展能够耐高温、湿热、极冷等多物理场载荷树脂基超声换能器声匹配层复合材料。随着航空航天、高海拔地质勘察、深海探测、极地科研等行业的发展和需求，亟需发展能够耐高温、湿热、极冷等多物理场载荷树脂基超声换能器声匹配层复合材料。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种制备工艺简单、体积密度可控和厚度可加工的复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料的制备方法，所制备的复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料具有阻抗梯度、高频、高效、宽带(>110％)导通的特性，适用于高温、湿热、极冷等多物理场载荷环境。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：以50～90wt％的改性树脂和10～50wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料20～30wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为双酚a型的环氧树脂、芳杂环耐高温双马来酰亚胺树脂、双邻苯二甲腈树脂、氟-硅改性纳米水性树脂、无机硅杂化树脂、二氧化硅改性丙烯酸树脂、三氧化二铝改性环氧树脂、半硅氧烷改性双酚a型环氧树脂、超支化环氧/双酚a环氧杂化树脂、硅钛杂化环氧树脂、丙烯酸改性醇酸-环氧酯杂化树脂中的一种。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为铜、钨、氧化铈、氧化钇、氧化镧、氧化镨、硼化锆中的一种；外层材质为铜、钨、氧化铈、氧化钇、氧化镧、氧化镨、硼化锆、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钡、氧化锌、氧化锰中的一种。
所述固化剂为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、甲酯、乙酯、丁酯、乙二醇酯和甘油酯中的一种。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明以改性树脂和双层空心微球为原料，外加固化剂，混合，机压成型，干燥，脱模，烘烤，切割，即得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料(以下简称超声换能器声匹配层材料)，制备工艺简单和体积密度可控。
本发明采用泥料机压成型方法，后期可以通过精密加工形成预制件，其厚度可以设计调整，实际应用超声换能器声匹配层材料可以随时调整、更换和检修。因此，解决了传统浇铸法和旋涂法结合真空技术直接在压电陶瓷上制备匹配层而导致的工艺复杂、实际应用中检修难且无法更换的关键技术难题，工艺简单和厚度可加工。
本发明采用双层空心微球填料，双层结构填料使得超声换能器声匹配层材料阻抗呈梯度变化，声能可以进入双层空心微球内部并逐渐耗散，使得超声换能器声匹配层材料具有阻抗梯度。进入双层空心微球填料孔隙的声波，在共振吸声机制和粘滞吸声机制的作用下，可以被双层空心微球深处的小孔选择性衰减吸收，使得所组装的超声换能器声匹配层材料具有高效、宽带(>110％)导通的特性。因此本发明克服了现有填料适用范围单一、可调节性能差、树脂基声匹配材料声阻抗范围窄、精度低等关键技术难题，不仅具有阻抗梯度，且具有高效、宽带(>110％)导通的特性。
本发明采用共聚、有机无机杂化等合成方法优化的改性树脂在高温、湿热、极冷等多物理场载荷环境下性能稳定。所以，所制备的超声换能器声匹配层材料还具有在高温、湿热、极冷等多物理场载荷等环境下使用的特点，能满足高性能、复杂环境场超声换能器声匹配层要求，社会效益和经济效益显著。
因此，本发明制备工艺简单、体积密度可控和厚度可加工，所制备的复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料具有阻抗梯度、高频、高效、宽带(>110％)导通的特性，适用于高温、湿热、极冷等多物理场载荷环境，广泛应用于航空航天、地质勘察、深海探测、极地科研、汽车、医疗等领域，社会效益和经济效益显著。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以50～60wt％的改性树脂和40～50wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料22～26wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为双酚a型的环氧树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化铈；外层材质为铜。
所述固化剂为碳酸二甲酯。
实施例2
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以60～70wt％的改性树脂和30～40wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料22～26wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为芳杂环耐高温双马来酰亚胺树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化钇；外层材质为钨。
所述固化剂为碳酸二乙酯。
实施例3
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以70～80wt％的改性树脂和20～30wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料23～27wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为双邻苯二甲腈树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化镧；外层材质为氧化铈。
所述固化剂为甲酯。
实施例4
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以80～90wt％的改性树脂和10～20wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料24～28wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为氟-硅改性纳米水性树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化镨；外层材质为氧化钇。
所述固化剂为乙酯。
实施例5
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以50～60wt％的改性树脂和40～50wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料26～30wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为无机硅杂化树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为硼化锆；外层材质为氧化镧。
所述固化剂为丁酯。
实施例6
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以60～70wt％的改性树脂和30～40wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料21～24wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为二氧化硅改性丙烯酸树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为铜；外层材质为氧化镨。
所述固化剂为乙二醇酯。
实施例7
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以70～80wt％的改性树脂和20～30wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料24～26wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为三氧化二铝改性环氧树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为钨；外层材质为氧化铝。
所述固化剂为甘油酯。
实施例8
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以70～80wt％的改性树脂和20～30wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料26～30wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为半硅氧烷改性双酚a型环氧树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化铈；外层材质为二氧化硅。
所述固化剂为甘油酯。
实施例9
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以50～60wt％的改性树脂和40～50wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料22～24wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为超支化环氧/双酚a环氧杂化树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化铈；外层材质为二氧化硅。
所述固化剂为碳酸二甲酯。
实施例10
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以60～70wt％的改性树脂和30～40wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料27～29wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为硅钛杂化环氧树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化钇；外层材质为氧化镁。
所述固化剂为碳酸二乙酯。
实施例11
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以70～80wt％的改性树脂和20～30wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料28～30wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为丙烯酸改性醇酸-环氧酯杂化树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化镧；外层材质为氧化铝。
所述固化剂为甲酯。
实施例12
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以80～90wt％的改性树脂和10～20wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料20～23wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为双酚a型的环氧树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化镨；外层材质为氧化钛。
所述固化剂为乙酯。
实施例13
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以50～60wt％的改性树脂和40～50wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料22～24wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为芳杂环耐高温双马来酰亚胺树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为硼化锆；外层材质为氧化钡。
所述固化剂为丁酯。
实施例14
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以60～70wt％的改性树脂和30～40wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料26～30wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为双邻苯二甲腈树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为铜；外层材质为氧化锌。
所述固化剂为乙二醇酯。
实施例15
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以70～80wt％的改性树脂和20～30wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料23～25wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为氟-硅改性纳米水性树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为钨；外层材质为氧化锰。
所述固化剂为甘油酯。
实施例16
一种复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料及其制备方法。本实施例所述制备方法是：
以70～80wt％的改性树脂和20～30wt％的双层空心微球为原料，外加所述原料22～24wt％的固化剂，混合3～15min，制得泥料；将所述泥料机压成型，自然干燥8～10h，脱模，于80～100℃条件下烘烤24～30h，切割，制得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料。
所述改性树脂为无机硅杂化树脂。
所述双层空心微球的材质是：内层材质为氧化铈；外层材质为硼化锆。
所述固化剂为甘油酯。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式以改性树脂和双层空心微球为原料，外加固化剂，混合，机压成型，干燥，脱模，烘烤，切割，即得复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料(以下简称超声换能器声匹配层材料)，制备工艺简单和体积密度可控。
本具体实施方式采用泥料机压成型方法，后期可以通过精密加工形成预制件，其厚度可以设计调整，实际应用超声换能器声匹配层材料可以随时调整、更换和检修。因此，解决了传统浇铸法和旋涂法结合真空技术直接在压电陶瓷上制备匹配层而导致的工艺复杂、实际应用中检修难且无法更换的关键技术难题，工艺简单和厚度可加工。
本具体实施方式采用双层空心微球填料，双层结构填料使得超声换能器声匹配层材料阻抗呈梯度变化，声能可以进入双层空心微球内部并逐渐耗散，使得超声换能器声匹配层材料具有阻抗梯度。进入双层空心微球填料孔隙的声波，在共振吸声机制和粘滞吸声机制的作用下，可以被双层空心微球深处的小孔选择性衰减吸收，使得所组装的超声换能器声匹配层材料具有高效、宽带(>110％)导通的特性。因此本具体实施方式克服了现有填料适用范围单一、可调节性能差、树脂基声匹配材料声阻抗范围窄、精度低等关键技术难题，不仅具有阻抗梯度，且具有高效、宽带(>110％)导通的特性。
本具体实施方式采用共聚、有机无机杂化等合成方法优化的改性树脂在高温、湿热、极冷等多物理场载荷环境下性能稳定。所以，所制备的超声换能器声匹配层材料还具有在高温、湿热、极冷等多物理场载荷等环境下使用的特点，能满足高性能、复杂环境场超声换能器声匹配层要求，社会效益和经济效益显著。
因此，本具体实施方式制备工艺简单、体积密度可控和厚度可加工，所制备的复杂环境用树脂基超声换能器声匹配层材料具有阻抗梯度、高频、高效、宽带(>110％)导通的特性，适用于高温、湿热、极冷等多物理场载荷环境，广泛应用于航空航天、地质勘察、深海探测、极地科研、汽车、医疗等领域，社会效益和经济效益显著。