一种超声干耦合材料及其制备方法和性能参数测定方法

1.本发明涉及超声无损检测领域，尤其涉及一种超声干耦合材料及其制备方法和性能参数测定方法。


背景技术：

2.超声波检测是一种重要的无损检测方法，在工业无损检测领域得到了广泛的应用。为了使声能更有效地透射到被测物体内部，往往需要在传感器与被测对象间采用耦合剂。常用的耦合剂为液体，如水、油、以及专用乳状耦合剂等。但液体耦合剂则有着需要反复添加，易污染被测物，用后需要清理等缺点。在无法使用液体耦合剂的场合，干耦合便是一种有效的替代方式。现有的干耦合剂主要包括各种金属以及树脂、橡胶类高分子材料。相较于其它干耦合材料，橡胶弹性体具有弹性好、硬度低且透声性能好的特点，在干耦合领域应用较为普遍，其中硅橡胶性能最为突出，在较小的载荷下可以实现声能的有效传输。
3.但是，硅橡胶材料声阻抗较低，声阻抗匹配效果不佳，降低了声能的传输效率，现有的干耦合材料种类少，性能不能充分满足检测要求。为此，有不少学者开展了干耦合材料的研制和测试工作，取得了一些实际效果，但仍然迫切需要开发新的干耦合材料，以满足日益增长的干耦合检测需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种超声干耦合材料，该材料具有高的声阻抗，有效实现超声传感器与被测对象间的声阻抗匹配，增强干耦合条件下的透射声能，实现声能的高效匹配。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种超声干耦合材料，包括a组份硅橡胶、b组份硅橡胶和纳米填料，所述a组份硅橡胶包括聚硅氧烷和催化剂，所述b组份硅橡胶包括聚硅氧烷和交联剂，所述a组份硅橡胶、所述b组份硅橡胶和所述纳米填料的质量比为100:100:(2～40)。
7.优选地，所述纳米填料为直径小于1μm的纳米铁粉末。
8.本发明还提供了超声干耦合材料的制备方法，包括以下步骤：
9.s1、将a组份硅橡胶与纳米铁填料混合搅拌，得到a组份硅橡胶/填料混合液；
10.s2、将b组份硅橡胶与a组份硅橡胶/填料混合液混合搅拌，得到液状干耦合材料；
11.s3、将所述液状干耦合材料置于封闭环境下抽真空20～30min，去除气泡；
12.s4、将所述液状干耦合材料静置固化，得到干耦合材料。
13.优选地，所述s1和所述s2的搅拌速度均为500～1000rpm，搅拌时间均为5～10min。
14.优选地，所述s4中固化的温度为20～50℃，时间为10～12h。
15.本发明还提供了超声干耦合材料的性能参数测定方法，所述性能参数测定方法包括：测量干耦合材料样品的声阻抗、声衰减和硬度。
16.优选地，所述声阻抗的测量方法为：分别测得材料样品的密度和声速，声阻抗的计
算公式为：
17.z＝ρc
18.式中，ρ为材料的密度，c为材料的声速。
19.优选地，密度的测量方法包括：
20.取密度瓶，密度瓶容量为v0，使用衡器测得空密度瓶的质量m0；
21.将水注满密度瓶，测得此时质量(m0 mw)，mw为水的质量，得到水的密度
22.将测得质量为md的干耦合材料放入密度瓶中，注满水，测得此时质量为(m0 md m
kw
)，m
kw
为此时瓶中水的质量。则得到此时瓶中干耦合材料体积为(v
0-m
kw
/ρw)，得到干耦合材料密度为ρ＝md/(v
0-m
kw
/ρw)。
23.优选地，在水中使用反射法测量干耦合材料样品的声速，声速的计算公式为：
[0024][0025]
其中，t1为干耦合材料上表面回波时间，t2为干耦合材料下表面回波时间，d为干耦合材料厚度。
[0026]
优选地，声衰减测量方法为：在水中使用反射法测量干耦合材料的声衰减，
[0027][0028]
其中，a1为干耦合材料上表面回波幅值，a2为干耦合材料下表面回波幅值，z为干耦合材料的声阻抗和zw为水的声阻抗。
[0029]
本发明的有益效果：
[0030]
本发明通过在硅橡胶基料中加入密度大于硅橡胶的纳米颗粒，提高了硅橡胶干耦合材料的声阻抗，通过调整不同的质量配比，达到与不同被测物声匹配的作用，增强干耦合条件下的透射声能，特别适合用于干耦合超声无损检测领域。并且本发明给出性能参数测定方法，测量制备的干耦合材料的相关性能参数以满足实际需要。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例的一种超声干耦合材料的制备方法流程图；
[0032]
图2为本发明材料声速和声衰减参数测量原理图；
[0033]
图3为本发明实施例及对比例的超声干耦合材料样品图；其中，(a)为对比样品1；(b)为样品1；(c)为样品2；(d)为样品3；(e)为样品4；(f)为样品5；
[0034]
图4为本发明实施例的试块测试回波相对幅值图。
具体实施方式
[0035]
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
[0036]
本发明实施提供了一种超声干耦合材料，包括以下成分：a组份硅橡胶、b组份硅橡
胶以及纳米填料。各成分之间的质量比为：a组份硅橡胶：b组份硅橡胶：填料为100:100:(2～40)。
[0037]
所述a组份硅橡胶原料包括聚硅氧烷和催化剂，聚硅氧烷优选为含乙烯基端聚硅氧烷，催化剂优选为铂金络催化剂、氯铂酸异丙醇催化剂。
[0038]
所述b组份硅橡胶原料包括聚硅氧烷和交联剂，交联剂优选为聚甲基氢硅氧烷。
[0039]
所述纳米填料指纳米铁粉末。
[0040]
在本发明中，所述纳米填料的直径优选为100～1000nm，更优选为100～300nm。
[0041]
在本发明中，若无特殊说明，制备原料均为本领域人员知晓的市场在售产品。
[0042]
本发明实施还提供了上述超声干耦合材料的制备方法，下面结合附图1-3具体描述根据本发明实施例的超声干耦合材料的制备方法。
[0043]
实施例1
[0044]
一种超声干耦合材料的制备方法：
[0045]
步骤一：取100质量份的a组份硅橡胶，加入2质量份的纳米铁填料，充分混合搅拌，搅拌速度均为500～1000rpm，搅拌时间为5～10min，得到a组份硅橡胶/填料混合液；
[0046]
步骤二：将100质量份的b组份硅橡胶与a组份硅橡胶/填料混合液充分混合搅拌，搅拌时间为5～10min，得到液状干耦合材料；
[0047]
步骤三：将液状干耦合材料装入模具，置于封闭环境下抽真空20～30min，去除气泡；
[0048]
步骤四：将液状干耦合材料置于20～50℃的环境下固化10～12h。
[0049]
根据上述步骤制得超声干耦合材料样品1，样品见图3(b)。
[0050]
实施例2
[0051]
将实施1的步骤一中的纳米铁填料的质量份更改为6，其余步骤不变，制得超声干耦合材料样品2，样品见图3(c)。
[0052]
实施例3
[0053]
将实施1的步骤一中的纳米铁填料的质量份更改为10，其余步骤不变，制得超声干耦合材料样品3，样品见图3(d)。
[0054]
实施例4
[0055]
将实施1的步骤一中的纳米铁填料的质量份更改为20，其余步骤不变，制得超声干耦合材料样品4，样品见图4(e)。
[0056]
实施例5
[0057]
将实施1的步骤一中的纳米铁填料的质量份更改为20，其余步骤不变，制得超声干耦合材料样品5，样品见图5(f)。
[0058]
对比例
[0059]
步骤一：取100质量份的a组份硅橡胶，加入100质量份的b组份硅橡胶液，充分混合搅拌，搅拌时间为5～10min，得到液状干耦合材料；
[0060]
步骤二：将液状干耦合材料装入模具，置于封闭环境下抽真空20～30min，去除气泡；
[0061]
步骤三：将液状干耦合材料置于20～50℃的环境下固化10～12h，制得超声干耦合材料对比样品1，对比样品见图3(a)。
[0062]
本发明实施例还提供了上述技术方案所述的干耦合材料或上述干耦合材料制备方法制备得到的干耦合材料的性能参数测定方法。
[0063]
根据本发明实施例的超声干耦合材料的性能参数测定方法，包括：测量干耦合材料样品的声阻抗、声衰减和硬度，这些参数是该材料用作干耦合剂时衡量超声能量传递的必备性能参数，其中声阻抗反映声能透射率，声衰减反映声能在干耦合材料中的传输衰减程度，硬度反映干耦合检测时与被测对象的贴合紧密度及预加载力的大小。
[0064]
声阻抗的测量方法为：分别测得材料样品的密度和声速，声阻抗的计算公式为：
[0065]
z＝ρc
[0066]
式中，ρ为材料的密度，c为材料的声速。
[0067]
密度的测量方法包括：
[0068]
步骤一：取密度瓶，密度瓶容量为v0，使用衡器测得空密度瓶的质量m0；
[0069]
步骤二：将水注满密度瓶，测得此时质量(m0 mw)，mw为水的质量，得到水的密度
[0070]
步骤三：将测得质量为md的干耦合材料放入密度瓶中，注满水，测得此时质量为(m0 md m
kw
)，m
kw
为此时瓶中水的质量。则得到此时瓶中干耦合材料体积为(v
0-m
kw
/ρw)，得到干耦合材料密度为ρ＝md/(v
0-m
kw
/ρw)。
[0071]
在水中使用反射法测量干耦合材料样品的声速，测试超声信号中心频率为2.5mhz，测量示意图见图2。根据干耦合材料上表面回波时间t1和干耦合材料下表面回波时间t2，结合干耦合材料厚度d，得到干耦合材料声速：
[0072][0073]
声衰减测量方法包括：在水中使用反射法测量干耦合材料的声衰减，测试超声信号中心频率为2.5mhz，测量示意图见图2。根据干耦合材料上表面回波幅值a1，与下表面回波幅值a2，得到声衰减：
[0074][0075]
其中，z和zw分别为干耦合材料和水的声阻抗。
[0076]
硬度测量方法包括：用邵氏硬度计对干耦合材料样品进行测试，将硬度计的压头与干耦合材料直接接触，逐渐加力，待硬度计指针稳定后得到干耦合材料的硬度值。
[0077]
本实施例中使用密度瓶测量样品的密度，在水中使用反射法测量干耦合材料样品的声速和声衰减，使用邵氏硬度计测量材料的硬度。测试结果见表1。
[0078]
将干耦合材料样品1-样品5以及对比样品1置于超声换能器和钢试块之间，钢的厚度为20mm，超声激励信号中心频率为2.5mhz，对换能器施加0到200kpa的载荷，观察回波幅值情况，记录回波的相对幅值(回波幅值/始波幅值)，测试效果如图4所示。
[0079]
表1
[0080]
样品序号声阻抗(mrayl)声衰减(db/mm)硬度(ha)对比样品11.1651.0620样品11.2211.2020
样品21.3401.4620.5样品31.4621.6820.5样品41.5822.3821样品52.1173.2024
[0081]
由表1可见，实施例1到实施例5制备的超声干耦合材料与对比例1制备的超声干耦合材料相比，声阻抗明显增大，声衰减和硬度也随之增大。
[0082]
由图4可见，实施例1到实施例5制备的超声干耦合材料与对比例1制备的超声干耦合材料相比，用作检测时，回波幅值明显增大，效果得到提高。
[0083]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。