Pb/EPOXY声阻抗梯度复合材料制备与声学特性研究

摘要

超声波在军事、国防、医疗和日常生活等众多领域有着广泛的应用。超声波换能器是超声波产生与接收的主要装置。在设计与制作超声波换能器时，为了提高发射超声波的效率，需要在声发射材料与声负载之间制作匹配层，以满足声学阻抗匹配的要求。以往制作匹配层的材料主要是以钨粉（W）或氧化铝（Al2O3）作为填料的复合材料。然而，以W为填料的匹配层成本较高，以Al2O3为填料的匹配层声阻抗变化范围较小。为了克服这两种常用填料的缺点，本文选用价格相对低廉的铅粉（Pb）作为填料制备了声阻抗梯度复合材料，以满足梯度匹配层的要求，并且表征了Pb填充梯度复合材料的声学特性。
　　由于填料种类及其粒径大小对离心力会产生影响，本文优选了粒径2μm的钨粉及5μm的铅粉作为填料，以环氧树脂为基体，用离心方法制备了声阻抗梯度复合材料。分析了粒径和填料种类对离心后填料在基体中分布情况的影响。测量了不同离心参数下Pb填充梯度复合材料与W填充梯度复合材料的填料梯度分布。给出了Pb填充梯度复合材料的密度随铅粉体积分数的变化关系。
　　测量了不同离心参数下制备的Pb复合材料的纵波声学特性，给出了纵波声速、声阻抗随填料体积比的变化规律。其中纵波声速的变化范围为1600~2500 m/s，纵波声阻抗的变化范围是4~11 MRayl。
　　采用脉冲回波法对Pb复合材料的横波声速进行了测量，得到横波声速随体积分数的变化关系，Pb填充梯度复合材料的横波声速变化范围为700~900 m/s。表征了不同离心参数下横波声阻抗随Pb体积分数的变化规律，分析了离心参数对声阻抗分布的影响，得到横波声阻抗的变化范围是1~5 MRayl。使用超声波在界面处的模式转换方法，通过对采集到的信号进行快速傅里叶变换，计算得到了横波的声衰减，并分析了Pb填充梯度复合材料的横波声衰减随Pb体积分数的变化规律。
　　本文通过制备不同离心参数下的可用于高性能超声换能器匹配层的 Pb填充梯度复合材料，确定了离心法制备该种材料的最佳条件。同时确定了Pb粉填充梯度复合材料的密度、纵波声速、纵波声阻抗、纵波声衰减、横波声速、横波声阻抗以及横波声衰减随Pb粉体积分数的变化规律。通过和填充其他材料的梯度复合材料进行性能对比，发现Pb填充梯度复合材料完全可以用于制备高性能超声换能器的匹配层。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.1.1 超声换能器概述

1.1.2 压电效应及压电振子的振动模式

1.1.3 压电材料简介

1.2 超声换能器的声学匹配

1.2.1 超声换能器结构

1.2.2 匹配层的声阻抗

1.2.3 匹配层的声衰减与声波的界面传播

1.2.4 换能器对匹配层的要求

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容与意义

1.4.1 本文研究的主要目的：

1.4.2 本文研究的主要内容：

1.4.3 本文的研究意义：

第2章 梯度匹配层材料的制备

2.1 引言

2.2 梯度复合材料的制备

2.3 离心参数的选择

2.4 梯度复合材料的密度

2.5 不同离心参数下的填料分布

2.6 本章小结

第3章 梯度复合材料纵波声学性能

3.1 引言

3.2 匹配层材料的声阻抗要求

3.2.1 单层匹配层的最佳透射条件

3.2.2 多层匹配层的最佳透射条件

3.3 声学特性测量方法

3.3.1 测量声速的脉冲回波法

3.3.2 测量纵波声衰减的超声频谱法

3.4 梯度复合材料的纵波声学特性

3.5 本章小结

第4章 梯度复合材料横波声学性能

4.1 引言

4.2 梯度复合材料的横波声速和声阻抗

4.3 梯度复合材料的横波声衰减

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢