一种用于高温无损检测的超声薄膜换能器

   　锅炉类承压设备在长期运行过程中,由于高温氧化(烟气侧)和蒸汽腐蚀(蒸汽侧),会产生普遍性的壁厚减薄,超过腐蚀余量,就会影响元件强度。另外,由于硫、钒、垢下腐蚀、氧腐蚀和氢腐蚀等,某些部位的壁厚损伤表现为斑点或局部凹坑型、穿孔型或晶间型,达到一定程度,也会严重影响元件强度,　甚至危及使用寿命,造成爆裂等危害性事故。运用无损检测手段,在设备正常运行的高温环境下,对壁厚腐蚀或内部缺陷进行实时快速检测,具有实用意义和经济价值。

　　常规的超声换能器,其居里温度TC较低,如钛酸钡(BaTiO3)TC=115℃,锆钛酸铅(PbZrTiO3)TC为300~365℃。温度超过TC,压电效应即消失,而在低于居里温度的高温区,灵敏度也会有不同程度的下降。另外,还有高温声耦合的困难。笔者工程师,负责重大和出国产品的无损检测工作。介绍一种用于400℃以上高温无损检测的新型超声压电薄膜换能器,它能弥补常规换能器的不足,既可在高温工件上探伤,又可对高温设备管壁厚度进行实时监测。

　　1　特点概述[1]

　　压电薄膜(高分子压电材料)已被广泛地用于频率范围为100 MHz到GHz级的高频电子设备。但一般认为,对超声检测之类频率相对较低的范畴,压电薄膜似难有作为。而且,压电薄膜通常所具有的机电耦合系数K往往低于目前超声换能器常用的压电陶瓷晶片,但其接收性能特优,且薄膜与试件可直接紧贴,在一定程度上可使灵敏度得到补偿。该薄膜是用真空法贴合在金属试件上,也可贴合在曲表面上。不需要作大量的表面制备。因为是薄膜状态,耦合很好,即使在常温下,也可用于检测;而在高温下的实际检测能力很有价值。

　　2　高分子压电材料及基本特性[2-4]

　　2.1　压电高分子

　　超声薄膜换能器是用高分子压电材料制作的。某些高分子材料经强电场极化处理后,就会产生压电特性。高分子压电材料有柔性、耐变形、声阻抗小,可做成薄膜且易于加工成多种形状,具有一般无机压电材料欠缺的许多特长。目前在医疗超声诊断和工业超声检测上作为新型换能器得到推广应用。　压电高分子材料有多种,最常用的是聚偏氟乙烯PVDF[偏氟乙烯(CF22CH2)的聚合物]和P(VDF/TrFE)[偏氟乙烯与三氟乙烯(CHF2CF2)的共聚物],其电声特性与常用压电体PZT的特性比较见表1。

　　PVDF通过高压结晶和固相挤压延伸法等制作工艺,可得kt=0.27的压电薄膜。P(VDF/TrFE)　的VDF(偏氟乙烯)与TrFE(三氟乙烯)摩尔数比为70/30~80/20时,可得最大kt值。

2.2　高分子薄膜的压电特性

　　高分子薄膜的压电效应有五种,即厚度伸缩[TE]一种,长度伸缩[LE]两种和厚度切变[TS]两种。用电子仪器测出与其相应的五种压电振子自由振动的共振频率特性,就能定量评价这些压电效应。图1表示P(VDF/TrFE)(75/25)的单晶薄膜机电耦合系数与温度的关系,可见kt和k24数值较大,与温度相关性较少。P(VDF/TrFE)薄膜,可在低温到100℃的温度范围内,作发收纵横波的换能器,其频谱很宽(至少到1 GHz)。P(VDF/TrFE)的居里点取决于VDF与TrFE的组成比,组成比越高,居里点越高,探头的使用限界温度也越高。