一种制作高阻抗背衬材料的新方法

　　1 引言

　　用于工业超声检测的超声探头的背衬材料需要有足够的声学衰减性能, 以吸收压电陶瓷片背向发射的声波。如果声衰减性能不足, 会产生背向杂波影响检测; 为提高声束纵向分辨率, 需要采用宽频带、窄脉冲超声探头。获得窄脉冲探头最有效的办法就是在压电元件背面附加高阻抗、高衰减的背衬材料, 利用其阻尼作用使晶片的谐振过程尽快终止。使用高阻抗背衬, 其阻尼作用大, 超声探头发射信号的脉冲短、频带宽, 分辨率高。材料的声阻抗率的值为材料密度和声速的乘积, 公式为Z=ρ·c。从公式中看出, 声阻抗率和材料密度成正比, 在声速没有明显变化时, 提高重质材料的填充量, 即提高材料的密度, 就可提高声阻抗率。声阻抗率超过10×10⁶Pa·s/m的背衬可称为高阻抗背衬。一般压电陶瓷的声阻抗率为30×10⁶Pa·s/m～36×10⁶Pa·s/m, 背衬的声阻抗率越接近此值, 探头的频谱越宽, 分辨率越高。因而, 要制成分辨率高的宽频带超声探头,关键在于获得合适的高阻抗背衬。

　　2 背衬材料技术背景

　　一般背衬材料由液态环氧树脂混合钨粉后固化而成。为制作高声阻抗率的重背衬材料, 必须设法提高钨粉在环氧中的填充量, 制作成高密度的材料。M.G.Grewe等[1]给出了不同体积百分比的5μm钨粉/环氧体系的声学性能数据如表1所示。

　　从表1可以看出, 钨粉的体积百分比从9.9%提高到31.9%时, 声阻抗率由4.7×10⁶Pa·s/m 升到10.8×10⁶Pa·s/m, 但此时环氧体系已非常粘稠, 体系很难混合均匀。要想继续提高体系的密度是不可能的。

　　为制作更高声阻抗率的背衬, G.C.LOW[2]等提出用“浸渍法”, 即把钨粉挤压至紧密堆积状态后,再用混合的环氧树脂浸渍, 整个过程大约需要140小时左右。而且材料的性能并不均匀, 要切取材料的下端用于制作背衬。

　　滕永平[3]提出了一种改进的“挤压法”, 在容器中加入1/3的钨粉, 再加入1/3的混合环氧树脂和钨粉, 再加入剩下的1/3 的钨粉, 然后施加压力把钨粉堆积紧密, 把多余的环氧挤压出来。这样制作的高阻抗背衬材料, 声衰减很小, 文中列出的声衰减系数只有13dB/cm~21dB/cm。赵雁等[4]对“挤压法”背衬进行了改进, 增加了背衬厚度和在背面加工了V形槽, 以避免声衰减不足造成杂波干扰。以上的制作方法虽然可以做出高阻抗背衬, 但是随着钨粉在环氧体系中比例的增加, 声衰减性能呈下降的趋势, 对此牛凤歧、H.Wang有过深入的研究。H.Wang 等[5]研究表明, 随着钨粉的体积百分比的不断增加, 材料的密度单调上升, 声阻抗率也随着上升; 但其声衰减系数则呈现不同的特性, 随着钨粉的体积百分比的增加, 声衰减系数先上升, 在钨粉的体积百分比为8%时声衰减系数达到峰值。钨粉的体积百分比继续上升时, 声衰减系数呈下降的趋势。当钨粉体积比达到25%以上时, 声衰减降到30dB/cm以下, 已影响背衬的吸声效果。以上制作高阻抗背衬的方法, 材料的声衰减性能差, 无法达到实用的要求。