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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。适用范围广等优势。适用范围广等优势。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及超声波传感器
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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，本专利技术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。
[0005]本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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 :
③
根据纤维层声阻抗 需求，确定纤维和纤维粘结剂的体积比α: 。
[0010]优选地，所述的步骤（3）中硬质模具材料为木材、不锈钢或硬质聚氨酯泡沫。
[0011]优选地，所述的步骤（3）中孔隙粘结剂为硅橡胶或硅胶。
[0012]优选地，所述的步骤（6）中根据纤维的厚度 ，球壳的外半径b，及纤维与粘结剂的体积比α，确定纤维粘结剂的预期厚度：
ꢀꢀ
。
[0013]优选地，所述的步骤（7）中确定热压容器的压力值的方法为：
①
在杨氏模量为E的标准平面模具表面黏贴电阻应变片，利用应变仪测量预期厚度的粘结剂受到导致的应变ε，进而计算粘结剂层产生的收缩应力T
s
：；
②
根据结剂层水平收缩应力计算纤维层收缩在球壳表面产生的径向压力P
s
:其中b为压电陶瓷球壳外半径，c为纤维层外半径，满足。
[0014]③
根据球壳表面的预应力 ，计算热压容器的压力值P:
。
[0015]有益效果：（1）通过调整纤维和纤维粘结剂的体积比，可以在较大范围内实现声阻抗的定量控制；（2）通过控制纤维粘结剂厚度，调整热压罐内的压力，可以实现压电陶瓷球壳表面径向预应力的精准施加；（3）通过热压成型实现压电陶瓷球壳表面纤维层的固化，球壳表面应力均匀，对设备的要求较低，制作成本较低；（4）适用范围大，适用于不同尺寸和材料的压电陶瓷球壳。
附图说明
[0016]图1为本专利技术所述的压电陶瓷球壳示意图；图2为本专利技术所述的硬质模具图；图3为本专利技术所述的预应力施加示意图；图4为利用本专利技术定量施加后声阻抗和径向预应力的压电陶瓷球壳前后的发射电压响应随频率变化曲线；图5为利用本专利技术定量施加后声阻抗和径向预应力的压电陶瓷球壳前后的声源级随电压变化的曲线；图6为利用本专利技术定量施加后声阻抗和径向预应力的压电陶瓷球壳前后的声源级随电压脉冲宽度变化曲线；其中1
‑
压电陶瓷球壳、2
‑
硬质模具、3
‑
纤维、4
‑
纤维粘结剂、5
‑
弹性材料、6
‑
热压容器、a
‑
球壳内半径、b
‑
球壳外半径、h
‑
球壳高度、c
‑
模具外半径、h
f
‑
纤维厚度、h
t
‑
纤维粘结剂厚度。
具体实施方式
[0017]实施例1：一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，该方法包括以下步骤：（1）准备一个尺寸为a42.3*b45*h45mm的压电陶瓷球壳，表面清洁，电极无缺损；（2）压电陶瓷的声阻抗 查询为31.5Mrayls,目标媒介为水，声阻抗为1.5Mrayls，因此纤维层声阻抗取值范围为2.07~6.21Mrayls，纤维层声阻抗取最优值需求为4.14Mrayls。
[0018]（3）选择玻璃纤维和环氧树脂进行纤维层复合。查询环氧树脂的密度为1100Kg
·
m
‑3，声速为2250m/s，声阻抗计算为2.48Mrayls；查询玻璃纤维的密度为2500Kg
·
m
‑3，声速为2740m/s，声阻抗计算为6.85Mrayls。计算玻璃纤维与环氧树脂的体积比为0.75。
[0019]（4）按照纤维和环氧树脂的体积比需求，将纤维在环氧树脂中浸润；（5）在压电陶瓷球壳表面黏贴应变片，将压电陶瓷球壳与硬质聚氨酯模具组合为完整球体，并利用704硅橡胶填充缝隙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，包括以下步骤：（1）明确纤维层声阻抗的取值范围，根据声阻抗最优值确定纤维和纤维粘结剂的种类及其体积比；（2）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，利用孔隙粘结剂黏结缝隙；（4）将浸润了纤维粘结剂的纤维在压电陶瓷球壳表面进行均匀包覆；（5）利用高弹性材料包覆纤维层和硬质模具；（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和纤维粘结剂厚度，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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤（1）中纤维层的声阻抗介于压电陶瓷的声阻抗和目标媒介之间，且满足：取中间值为最优纤维层声阻抗值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。5.根据权利要求2所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄世峰，张晓芳，郭瑞，刘通，林秀娟，杨长红，程新，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：