一种弹性波阻抗匹配与阻尼吸收梯度材料的制备方法

摘要

一种弹性波减振和吸波领域阻尼吸收层材料的制备方法，通过在不同粒径、不同材料的粉末表面附着由酚醛树脂粘结剂和树脂粘结剂重量18％的六亚甲基四胺后，放入液体中进行沉降，最后将沉降得到的粉末沉积层置于模具中进行压制、烘干和烧结，最终得到内部声阻抗值和声衰减系数均为梯度变化的吸收层材料。由于采用了上述对粉末颗粒与粘结剂实施干混合的事先包覆工艺，使得各种粉末颗粒均匀分布和粘结剂的添加量控制更易于实现，从而使制备材料的波阻抗值和吸收衰减系数有更宽的调节范围；本发明中对混合粉末物料实施沉降工艺，使得制备的沉积层中粉末颗粒能够按其密度、颗粒度具有更理想的梯度分布，彻底消除因分布不连续对弹性波产生的层间反射。

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。

其次，根据所制样品的需要称取表面已事先包覆粘结剂的粉末物料，然后将其置于沉降装置中进行沉降，所选择的沉降液体的粘度能使所沉降的粉末区分开即可。沉降所用的装置下部连接到所需的模具上，粉末在沉降后将直接落入模具中。由于不同材质(或密度)、不同粒度的粉末颗粒之间存在沉降速率差异，经过选定粘度或沉降距离的沉降液，混合物料中的粉末颗粒将根据其密度、颗粒度形成连续的梯度分布，密度大、颗粒粗的粉末将优先分布于沉积层的下方；密度小、颗粒细的粉末则分布于沉积层的上部。通过调节其中粉末颗粒的密度和颗粒分布，控制沉积层各部分的波阻抗和吸收系数的量值和分布特性，制备性能符合要求的功能材料。

最后，模具中的沉降物料在100℃保温2小时脱水干燥、然后置于压力机下压制后重新加热至180～200℃进行高温固化处理得到成品。高温固化时，粉末颗粒热包覆过程中添加的六亚甲基四胺(乌洛托品)发生分解，释放出足够数量的亚甲基(-CH2-)，使重新加热的酚醛树脂得以发生网状交链反应，粉末颗粒之间形成热固性粘结，从而保证所制备材料具有足够的强度和稳定性。

本发明由于采用了上述对粉末颗粒与粘结剂实施干混合的事先包覆工艺，使得各种粉末颗粒均匀分布和粘结剂的添加量控制更易于实现，从而使制备材料的波阻抗值和吸收衰减系数有更宽的调节范围；本发明中对混合粉末物料实施沉降工艺，使得制备的沉积层中粉末颗粒能够按其密度、颗粒度具有更理想的梯度分布，彻底消除因分布不连续对弹性波产生的层间反射；而采用粉状热塑性酚醛树脂作为粘结剂与其它固体颗粒进行干混和热混，并预伏添加六亚甲基四胺(乌洛托品)作为最终热固化的固化剂则是上述两种工艺能够实现的基础。利用该方法制成的梯度材料中声阻抗值和声衰减系数均为连续梯度变化的，且该梯度材料一侧为高声阻抗值低衰减系数，另一侧为低声阻抗值高衰减系数。

具体实施方式

为实现本发明的目的，我们使用铝粉、铁粉两种金属粉末，其中铁粉有100目、200目、300目三种规格，铝粉则有200目、600目两种规格。高分子粘结剂使用酚醛树脂，并使用六亚甲基四胺(乌洛托品)用作固化剂。将上述不同种类，不同目数的金属粉末与相应比例的酚醛树脂利用混料器在常温下进行干混合，其中各种金属粉末中所含的树脂质量分数分别为：100目铁粉中含树脂5％，200目铁粉中含树脂6.5％，300目铁粉中含树脂8％，200目铝粉中含树脂18％，600目铝粉中含树脂30％。然后逐步将混料器中的温度提高到140～160℃，继续混合。待粉末颗粒与粘结剂混合均匀后，降低混料器中的温度至100～110℃之间，并在此温度下加入树脂粘结剂重量18％的六亚甲基四胺(乌洛托品)，继续混合，均匀后降至室温，并将结块的物料进行粉碎和筛选。

将已经完成包覆粘结剂的铁粉和铝粉配制质量分数组成分别为100目铁粉28％，200目铁粉22％，300目铁粉22％，200目铝粉11％，600目铝粉17％的混合粉末。然后将配制好的混合粉末放置在沉降装置中进行沉降，所用的沉降液为水，20℃下粘度为1×10^-3Pa·s·，沉降距离为1m，沉降装置下部连接模具，混合粉末在水中沉降后直接落入模具当中。沉降后得到的粉末沉积层中100目的铁粉在最下部，声阻抗值最大，600目的铝粉处在最上部，声阻抗值最小。在将沉降装置中的水排出后取出模具，放置于保温炉中加热至100℃保温2小时进行干燥处理，然后放置于压力机下加压至380MPa压实，最后将其加热至180℃-200℃并保温10分钟使酚醛树脂发生固化，最终得到具备弹性波阻抗匹配和阻尼吸收的梯度材料。经过测试，其两端声阻抗值分别为9×10⁶kg/(m²·s)和16×10⁶kg/(m²·s)，相应的声衰减系数分别为2.98dB/mm和1.05dB/mm。且声阻抗值在其内部均为连续过度，不存在声波反射界面。