材料科學畢業(yè)論文

1、濟南大學畢業(yè)論文 畢業(yè)論文題 目 壓電超聲換能器的聲阻抗梯度材料 設計與制備 學 院 材料科學與工程學院 專 業(yè) 材料科學與工程 班 級 材料1213班 學 生 * 學 號 * 指導教師 * 二一六年五月三十一日摘 要 能實現(xiàn)電能、機械能或聲能從一種形式的能量轉換為另一種形式的能量的裝置稱為換能器，也稱有源傳感器。換能器是超聲波設備的核心器件，其特性參數(shù)決定整個設備的性能。本文主要講述的是壓電超聲換能器得的一些主要特性。雅典超聲換能器的主要材料是壓電陶瓷，壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料-壓電效應,壓電陶瓷除具有壓電性外, 還具有介電性、彈性等, 已被廣泛應用于醫(yī)學成

2、像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等。壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下，引起內部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷即壓電效應而制作，具有敏感的特性，壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等，除了用于高科技領域，它更多的是在日常生活中為人們服務，為人們創(chuàng)造更美好的生活而努力。在本文中分別以鋁粉，鐵粉，鎢粉為填料，環(huán)氧樹脂和胺固化劑為基質制備幾種不同的聲阻抗匹配層的復合材料，匹配層是超聲換能器的重要組成部分，能夠實現(xiàn)聲阻抗的匹配或者過渡。

3、匹配層樣品的種類會影響該換能器的聲阻抗變化，通過研究，升阻抗是隨著填料密度的不同而變化的，通過測試可知聲阻抗與密度是成正比的關鍵詞：超聲換能器；匹配層；梯度材料；聲阻抗ABSTRACT To achieve electrical, mechanical, or sonic energy conversion from one form of energy to another form of apparatus called a transducer, also known as the active sensor,Transducer ultrasound equipment is the

4、core of the device, and its parameters determine the performance of the entire apparatus.This article is about some of the main characteristics of the piezoelectric ultrasonic transducer obtained.Athens ultrasonic transducer is a piezoelectric ceramic material mainly piezoelectric ceramic is a mecha

5、nical and electrical energy can be converted to each other information on functional ceramic materials - piezoelectric effect, in addition to a piezoelectric ceramic piezoelectric properties, but also has a dielectric , elasticity, etc., have been widely used in medical imaging, acoustic sensors, tr

6、ansducers, ultrasonic motors, etc.Using its piezoelectric ceramic materials under mechanical stress, causing internal displacement relative to the center of positive and negative charge polarization occurred at both ends of the surface material appears opposite in sign to the charge that is bound to

7、 prepare a piezoelectric effect, have sensitive characteristics, piezoelectric ceramics are mainly used in the manufacture of ultrasonic transducers, acoustic transducers, electro-acoustic transducer, ceramic filters, ceramic transformer, ceramic frequency, high voltage generator, infrared detectors

8、, surface acoustic wave devices, electro-optical device, ignition detonation devices and piezoelectric gyro, etc., except for the high-tech field, it is more in everyday life for the people, for people to create a better life and work.Herein respectively aluminum, iron, tungsten powder as filler, ep

9、oxy resin and amine curing agent is a matrix composites prepared by several different acoustic impedance matching layer, the matching layer is an important part of the ultrasonic transducer, matching transition can be realized or the acoustic impedance.Species will affect the matching layer sample o

10、f the transducer acoustic impedance change through research, up impedance with different packing density varies by test shows that acoustic impedance is proportional to the density. Key words ultrasonic transducer acoustic impedance matching layer目 錄摘 要IABSTRACTII1前 言31.1課題的研究背景31.1.1超聲換能器的概述31.1.2壓

11、電效應41.1.3壓電材料及壓電復合材料51.2超聲換能器匹配61.2.1超聲換能器的結構61.2.2匹配層材料的選擇與設計61.2.3超聲換能器對匹配層的要求71.3 國內外的研究現(xiàn)狀81.3.1國外研究現(xiàn)狀81.3.2國內研究現(xiàn)狀91.4本文選題的意義102匹配層的制備與聲學特性研究112.1聲匹配層樣品的制備112.1.1原材料與儀器設備112.1.2匹配層制備樣品的過程112.2匹配層樣品特征122.2.1匹配層樣品厚度122.2.2匹配層樣品斷面形貌132.3 聲匹配層樣品密度的測定與分析152.3.1匹配層樣品密度的測定方法152.3.2匹配層密度分析172.4匹配層聲速的測定與分

12、析192.4.1匹配層樣品聲速的測試方法192.4.2匹配層樣品聲速測試結果202.4.3匹配層樣品聲速分析242.5匹配層樣品的聲阻抗的測定與分析242.5.1匹配層樣品聲阻抗的測定方法242.5.2匹配層樣品聲阻抗分析272.6匹配層樣品測試結果分析272.6.1填料種類對匹配層的影響272.6.2樣品厚度對匹配層的影響293 結 論30參 考 文 獻31致 謝33361 前言1.1 課題的研究背景1.1.1超聲換能器的概述 超聲換能器根據(jù)聲波產(chǎn)生原理主要分為磁致伸縮換能器和壓電換能器，超聲波換能器的應用十分廣泛,它按應用的行業(yè)分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、生活、醫(yī)療及軍事等。按實現(xiàn)的功能分為

13、超聲波加工、超聲波清洗、超聲波探測、檢測、監(jiān)測、遙測、遙控等；按工作環(huán)境分為液體、氣體、生物體等;按性質分為功率超聲波、檢測超聲波、超聲波成像等。本文主要研究壓電超聲換能器。超聲換能器是一種將電信號和聲信號相互轉化的裝置。超聲換能器也被廣泛地應用于醫(yī)學河水中探測等方面。壓電陶瓷變壓器是利用極化后壓電體的壓電效應來實現(xiàn)電壓輸出的。其輸入部分用正弦電壓信號驅動, 通過逆壓電效應使其產(chǎn)生振動, 振動波通過輸入和輸出部分的機械耦合到輸出部分, 輸出部分再通過正壓電效應產(chǎn)生電荷,實現(xiàn)壓電體的電能-機械能-電能的兩次變換,在壓電變壓器的諧振頻率下獲得最高輸出電壓。與電磁變壓器相比, 這具有體積小, 質量輕

14、,功率密度高, 效率高, 耐擊穿, 耐高溫, 不怕燃燒, 無電磁干擾和電磁噪聲, 且結構簡單、便于制作、易批量生產(chǎn), 在某些領域成為電磁變壓器的理想替代元件等優(yōu)點。此類變壓器用于開關轉換器、筆記本電腦、氖燈驅動器等醫(yī)學用的超聲探頭也被稱為超聲換能器，這也是醫(yī)學超聲成像系統(tǒng)中最重要的部件.超聲換能器在醫(yī)學中也是起信息轉換作用，用來完成電學，聲學，電學信號的轉換。法國物理學家距局里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應開啟了超聲換能器的研究，并在第一第二次世界大戰(zhàn)中用來檢測海底物體。壓電超聲換能器作為一種互換能量的器件作用是將電信號和聲信號互相轉換，1.1.2壓電效應 壓電材料是壓電換能器的關鍵部分，應用較多的壓電材料

15、主要分五大類。(1)壓電單晶體(2)壓電陶瓷(3)壓電高分子聚合物(4)壓電復合材料材料(5)壓電半導體1.1.3壓電材料及壓電復合材料 壓電復合材料是指至少由一種壓電相材料與非壓電相材料按一定連通方式組合而構成的具有壓電效應的材料，并且集中了各個組成材料的特性，得到了廣泛的研究和應用。壓電復合材料也具有很多優(yōu)點：聲阻抗小，介于聚合物向和雅典相之間，機電耦合系數(shù)高，相對柔軟，易于做成各種形狀機械品質因數(shù)低，側向耦合弱，能量更集中于厚度振動。1.2超聲換能器匹配 超聲換能器主要包括以下幾個部分，外殼，匹配層，壓電陶瓷圓盤換能器，背襯，引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。主要部件為聲學匹配層，背

16、襯和壓電材料。其中壓電陶瓷換能器用的是厚度方向極化的PZT-5壓電材料。Cymbal陣列接收器由816只Cymbal換能器、兩個金屬圓環(huán)和橡膠墊圈組成。本文主要討論的是匹配層材料的制備和設計研究。1.2.1超聲換能器的結構 超聲換能器主要包括以下幾個部分，外殼，匹配層，壓電陶瓷圓盤換能器，背襯，引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。主要部件為聲學匹配層，背襯和壓電材料。其中壓電陶瓷換能器用的是厚度方向極化的PZT-5壓電材料。Cymbal陣列接收器由816只Cymbal換能器、兩個金屬圓環(huán)和橡膠墊圈組成。本文主要討論的是匹配層材料的制備和設計研究。1.2.2匹配層材料的選擇與設計制作匹配層時需

17、要準備好填料和基體，也就是說將選用的材料倒入環(huán)氧樹脂中，再加入固化劑攪勻。本文中選用的材料為鋁粉，鐵粉和鎢粉。另外匹配層的制作方法分為三種，澆鑄法，刮刀法，旋涂法。本文主要講的是澆注法，用該方法制作的特點是一旦制備好混液將不再能夠改變混液的成分。1.2.3超聲換能器對匹配層的要求 從以往的研究中發(fā)現(xiàn)，由于壓電材料和探測介質之間會存在聲阻抗失配，會使聲能流無法有效傳遞，因此要想制備出高性能的壓電超聲換能器僅有好的發(fā)聲（壓電）材料是遠遠不夠的。以醫(yī)用換能器為例，如果沒有匹配層耦合，傳輸?shù)饺梭w的聲能量只占到總聲能的18%左右。通過設計合理的匹配層，可以極大的提高醫(yī)用超聲換能器壓電材料跟人體之間的能量

18、透過率，實現(xiàn)聲阻抗匹配或過渡，拓寬換能器的頻帶，靈敏度也會得到提高。超聲換能器的聲學匹配一般會應用在超聲檢測、超聲成像及超聲探傷等一些小信號場合。在超聲匹配過程中，匹配層材料主要起到聲阻抗匹配或過渡的作用。因為匹配層的性能主要取決于自身的特性阻抗和尺寸，為了進一步地發(fā)揮匹配層的作用，通常將匹配層制備成多層結構。人們一直以來都很關注設計和理論計算匹配層。傳統(tǒng)透聲(匹配)材料是金屬粉末或陶瓷與環(huán)氧樹脂組成的0-3型復合材料，厚度為/4波長，單層匹配材料的聲阻抗等于發(fā)聲(匹配)材料和負載介質聲阻抗的幾何平均值。單層匹配層的壓電超聲換能器由于制造工藝較為簡單且性能優(yōu)良得到了廣泛的應用。但是由于工藝制備

19、的問題，多層阻抗匹配層應用的比較少。理想的單層阻抗匹配層的特性聲阻抗為式中，為壓電材料的聲阻抗，為負載介質的聲阻抗，為匹配層的聲阻抗。理想的雙層阻抗匹配層的特性聲阻抗為式中Z1P是第一層匹配層的特性聲阻抗，Z2P是第二層匹配層的特性聲阻抗。以上分析的屬于換能器聲阻抗匹配的傳統(tǒng)理論。我們可以設換能器的縱向和橫向尺寸和負載介質分別為無窮大和半無窮大。除此之外，還有很多換能器聲阻抗匹配理論，如梅森模型理論，KLM模型理論，多模式濾波器綜合理論，串并聯(lián)阻抗平等理論，等等。但是我們要做的不僅是通過理論計算實現(xiàn)聲阻抗匹配，還需要進行具體的試驗來制備出合適的匹配層。 在實際過程中為了實現(xiàn)聲阻抗的匹配，我們可

20、以適當?shù)母淖兤ヅ鋵拥暮穸?。因此我們通過工程試驗和理論分析得到四分之一波長的匹配層厚度可以實現(xiàn)合適的聲阻抗。同時因為匹配層材料的性能直接影響了換能器，因此選擇合適的匹配層材料對換能器的性能而言也是至關重要的。在相同的工作頻率的條件下，匹配層材料的/4值會因聲速的越來越大而越來越大，在高頻探頭中，這會極大的方便匹配層的加工。因此選擇聲速較大的材料可以較為方便地加工高頻換能器的匹配層。因為匹配層是透聲層，所以聲衰減系數(shù)越低，匹配層性能越好。所以在選擇材料和確定層數(shù)時，不僅要考慮有利的一面，也要考慮聲衰減帶來的不利影響。1.3 國內外的研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀 （1）1880 法國物理學家距局里

21、兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應開啟了超聲換能器的研究，并在第一第二次世界大戰(zhàn)中用來檢測海底物體。 (2)1963年美國首先報道了植制備多孔陶瓷的辦法。 (3)1972年 日本研制出了柔性復合材料開啟了復合材料歷史，壓電復合材料也引起了國內的關注并進行了大量的研究。 (4)1978年Skinner用珊瑚做骨架制成了3-3型PZT壓電陶瓷，但這種工藝因為需要天然的珊瑚作為模板，因此不適合大量生產(chǎn)。2003年Kaha制備了孔徑分不均勻的3-3型PZT壓電陶瓷，但抗壓強度較小難以做原料。 (5) 南加州大學從壓電振子的制作工藝和材料多方面入手制作出了高頻聲帶超聲換能器，后來也有人提出了用鎢粉和聚氯乙烯做原始材料制作

22、背襯材料。美國州立大學也發(fā)現(xiàn)了一種新型鐵電單晶，此單晶的壓電性由于普通的壓電陶瓷，因此用他來制備了超聲換能器。英國物理實驗室用高分子橡膠做原始材料制備了背襯材料。 （6）國內壓電陶瓷的匹配層研究主要是從制作材料和制作形狀入手的。就是用環(huán)氧樹脂和鎢粉進行混合制作背襯材料，但這種方式制作的樣品在聲學方面不滿足要求。后來吳錦川改變制作材料來改善聲阻抗和和聲衰減。中國科學院硅酸鹽研究所也在壓電振子上面取得了突破。1.4本文選題的意義 本文通過在匹配層的聲速和聲阻抗聲衰減等方面的研究闡述了不同密度匹配層的聲學性質規(guī)律。自從發(fā)現(xiàn)壓電效應以來，在社會許多領域壓電材料都占有重要的領域，對經(jīng)濟也起著重要的作用。

23、據(jù)統(tǒng)計數(shù)字表明在醫(yī)學上診斷工具的換能器全球市場大約10億美元。 研究內容包目前超聲學是聲學的一個分支，超聲監(jiān)測和診斷也是現(xiàn)今超聲學的應用方向之一括： 用澆注法制備匹配層樣品，用環(huán)氧樹脂胺類固化劑作為基體，鋁粉，鐵粉，鎢粉，作為填料，研究調料的密度種類對匹配曾樣品聲學特性的影響。 用聲阻抗的變化討論匹配層的性能本課題深入研究了樣品的密度和填料種類對匹配層樣品的制備極其聲學特性的影響，闡明了樣品密度和種類對樣品聲學特性的影響2 匹配層的制備與聲學特性研究2.1 聲匹配層樣品的制備2.1.1原材料與儀器設備 (1)A-B灌漿樹脂主劑(環(huán)氧樹脂)和固化劑 (2 ) 生產(chǎn)的鋁粉； (3) 生產(chǎn)的鐵粉；(

24、4) 生產(chǎn)的鎢粉 實驗所用儀器： (1) SYJ-400型CNC劃片切割機； (2) ZJ-3A型準靜態(tài)d33測試儀， (3) 泰克TDS1002B-SC數(shù)字示波器 (4) 泰克tektronix AFG3022B任一波形發(fā)生器； (5) 真空泵； (6) 分析天平； (7) QUANTA FEG 250型掃描電子顯微鏡 (8) KQ-100B型超聲波清洗儀，昆山市超聲儀器有限公司 (9) MC-710F2.1.2匹配層制備樣品的過程(1) 制備基體樹脂：將環(huán)氧樹脂與固化劑按照4:1的質量比在塑料杯中混合攪勻成均勻的混合物。(2) 加入填料：用電子天平取一定質量帶的鋁粉，將鋁粉加入到基體中，為

25、防止鋁粉團聚，在攪拌的過程中應該盡量的使鋁粉均勻的分布在基體中。(3) 真空處理：將攪拌好的樣品放入真空泵中，進行真空處理，抽走氣泡 。(4) 固化成型：將配置的樣品倒入特別制作的模具中，模具事先刷好硅油。然后將樣品在常溫下靜置4小時，每過1小時將模具翻轉一次。待7，8個小時之后等完全固化之后將樣品從模具之中脫出。(5) 將固化好的樣品放到加熱臺上，等冷卻之后用研磨機將樣品表面打磨光滑。(6) 把打磨好的樣品依次用上面同樣的方法固定在切割機上，切去多余的部分，并且使樣品的長度均勻，保證樣品的準確性。( 7) 切好的樣品如圖所示。2.2匹配層樣品的特征2.2.1匹配層樣品厚度 本次實驗所制的匹配

26、層樣品有環(huán)氧樹脂與鋁粉質量比為1:1 ，1:2，1:3，環(huán)氧樹脂與鐵粉質量比為1:1 ，1:2，1:3的，環(huán)氧樹脂與鎢粉質量比為1:1 ，1:2，1:3的以及環(huán)氧樹脂與鋁粉，鐵粉，鎢粉三種混合粉比為1:1。將每次切割后的樣品編號1、2、3、4、5、6，現(xiàn)將樣品數(shù)據(jù)列表2-1，表2-2，表2-3，表2-4。表2-1 環(huán)氧樹脂與鋁粉質量比1:1 ，1:2，1:3時的厚度與質量1:11:21:3編號樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)160.2 22.7962.826.37 61.830.01252.020.3152.123.4352.826.243 42.017.67

27、41.920.4241.022.77431.515.10 31.917.41 32.519.33522.012.4220.914.3221.915.86611.59.71 11.511.3911.012.75 表2-2 環(huán)氧樹脂與鐵粉質量比1:1、1:2、1:3時的厚度與質量1:11:21:3編號樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)160.2 26.9562.837.0561.835.942 52.024.8852.133.4852.830.26342.022.4241.929.2141.0 24.944 31.519.5831.925.0832.519.7752

28、2.016.44 20.920.5821.914.6611.513.1411.516.3011.09.88 表2-3 環(huán)氧樹脂與鎢粉質量比1:1、1:2、1:3時的厚度與質量1:11:21:3編號樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)160.223.54 62.840.0161.842.162 52.020.34 52.135.6352.836.04342.017.3641.930.9541.029.84431.5 14.1831.925.4832.523.69522.010.9820.920.9321.917.50611.57.8311.516.4811.011.

29、85 表2-3 環(huán)氧樹脂與三者混和厚度與質量比1:1,1:2,1:3時的厚度與質量 1:11:21:3編號樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)樣品厚度()質量(g)162.2077.161.4878.761.5098.5251.8065.851.3869.751.5083.5341.6053.840.8658.241.7868.1430.4041.529.5242.831.3051.4521.1029.018.7027.919.4032.269.3214.17.7012.18.2014.02.2.2匹配層樣品斷面形貌 (a) (b) (c) (d)質量比為1:1的鋁粉、鐵粉、鎢粉,三者

30、混合時在同一放大倍數(shù)時的SEM圖。 圖（a）中是以鋁粉為填料，以環(huán)氧樹脂和胺類固化劑為基體制備的質量比為1:1的斷面SEM圖。中（b）是以鐵粉為填料，以環(huán)氧樹脂和胺類固化劑為基體制備的質量比為1:1的斷面SEM圖。圖（c）中是以鎢粉為填料，以環(huán)氧樹脂和胺類固化劑為基體制備的質量比為1:1的斷面SEM圖。圖（d）中是以鋁粉，鐵粉，鎢粉混合為填料，以環(huán)氧樹脂和胺類固化劑為基體制備的質量比為1:1的斷面SEM圖。從圖（a）（b）（c）（d）中可以看出樣品密度結構緊密，填料在環(huán)氧樹脂集體中的分布都比較均勻。 (e) (f) (g)圖2-3 環(huán)氧樹脂與鐵粉在質量比為1:1、1:2、1:3時，且在同一厚度

31、時的SEM圖。圖2-3中，(e)為以鐵粉為填料，環(huán)氧樹脂和胺類固化劑為基體制備的鋁粉質量比為1:1時樣品的斷面SEM圖。圖(f)為以鐵粉為填料，環(huán)氧樹脂和胺類固化劑為基體制備鐵粉質量比為1:2的樣品的斷面SEM圖。圖(g)為以鐵粉為填料，環(huán)氧樹脂 和胺類固化劑為基體制備的鎢粉質量比為1:3的樣品的斷面 SEM 圖。所有樣品都為同一倍數(shù)下所得的圖片，從圖(e)(f)(g)中可以看出樣品結構。從圖中可以看出不同質量比的鐵粉顆粒在環(huán)氧樹脂基體中的分布越來越均勻，且密度越來越大，顆粒的分布越來越致密。2.3 聲匹配層樣品密度的測定與分析2.3.1匹配層樣品密度的測定方法為了得到精確的匹配層樣品的密度值

32、，本文采用了阿基米德排水法來測量匹配層樣品的密度。將電子天平放在支起的柱子上，下面放置一燒杯的去離子水，天平上放置一個橫桿，兩端用很細的線將待測樣品吊起慢慢放入水中，使樣品完全浸沒在水中，待穩(wěn)定時記下讀數(shù)。圖2-4 阿繼密度排水法測樣品密度裝置圖設在空氣中測得的樣品的質量為m1，在去離子水中樣品的質量為m2。根據(jù)阿基米德排水法來測試樣品的密度。已知浮力公式為 (2-3)則根據(jù)浮力公式可以推導出樣品密度的表達式如式為 (2-4)根據(jù)公式2-4和表2-1，表2-2，表2-3內的數(shù)據(jù)，可以算出以鋁粉、鐵粉、鎢粉為填料，環(huán)氧樹脂E-51和胺類固化劑為基體制備出的樣品在不同厚度時樣品運用阿基米德排水法測

33、得的密度結果如表2-4，表2-5，表2-6所示：表2-4 環(huán)氧樹脂與鋁粉的質量比為1:1、1:2、1:3時的樣品在不同厚度時的密度1:11:21:3編號樣品厚度()密度()樣品厚度()密度()樣品厚度()密度()1 60.22.293 62.82.54461.82.9422 52.02.36652.12.72452.83.0113 42.02.54941.92.952 41.03.3644 31.52.90431.93.306 32.53.603522.03.42020.94.15121.94.387611.55.115 11.56.00011.07.022表2-5 環(huán)氧樹脂與鐵粉的質量比為1

34、:1、1:2、1:3時的樣品在不同厚度時的密度1:11:21:3編號樣品厚度()密度()樣品厚度()密度()樣品厚度()密度()160.22.71262.82.60061.83.523252.02.89852.12.893 52.83.472342.03.23441.93.24141.03.685431.53.76631.93.71832.53.685522.04.52720.94.76521.94.039611.56.92211.56.92211.05.441表2-6 環(huán)氧樹脂與鎢粉的質量比為1:1、1:2、1:3時的樣品在不同厚度時的密度1:11:21:3編號樣品厚度()密度()樣品厚度(

35、)密度()樣品厚度()密度()160.2 2.36962.83.86061.84.133252.02.36952.14.14352.84.135342.02.50441.94.47541.04.409431.52.72731.94.83932.54.416522.03.02320.96.06721.94.841611.54.12511.58.68211.06.5262.3.2匹配層密度分析以樣品厚度為橫坐標，填料制成的聚合物樣品密度為縱坐標，可得出樣品密度隨樣品厚度變化曲線如圖所示： 圖2-4 環(huán)氧樹脂與鋁粉不同質量比時的厚度與密度關系圖2-5環(huán)氧樹脂與鐵粉不同質量比時的厚度與密度關系圖2-6

36、 環(huán)氧樹脂與鎢粉不同質量比時的厚度與密度關系從圖中我們可以看出，對于同一個匹樣品配層，當樣品的厚度較大的時候，密度較小，隨著樣品的切割，厚度減小的同時，樣品密度越來越大，基本可以看出密度與樣品厚度之間是線性變化的。這說明了在制備梯度復合材料的時候，填料顆粒在環(huán)氧樹脂基體中會受重力作用向下積聚，這就形成了樣品上部密度小，下部密度大結構。對于同一種填料，不同質量比的樣品，填料越多，密度越大。對于以鐵粉為填料，環(huán)氧樹脂與鐵粉質量比為1:1時制得的匹配層樣品，在厚度最小的時候，密度有著明顯的升高，是因為鐵粉的密度比環(huán)氧樹脂高，且鐵粉顆粒的數(shù)量比較少，在靜置固化的過程中，鐵粉大部分都沉降在底部，導致了最

37、后在測最后較小厚度時樣品密度明顯變大。對于以鎢粉為填料，環(huán)氧樹脂與鎢粉質量比為1:1的匹配層樣品，密度與樣品厚度的關系跟其他樣品不同，可能是因為實驗過程中，沒有將鎢粉攪拌均勻或者混入氣泡導致的。2.4匹配層聲速的測定與分析 2.4.1匹配層樣品聲速的測試方法 (1) 傳統(tǒng)脈沖回波法 現(xiàn)在使用比較廣泛的測量聲速的方法就是傳統(tǒng)的脈沖回波法，脈沖回波法是利用發(fā)射探頭發(fā)射一個寬頻帶波場。用這種方法測量聲速是通過計算在媒質中脈沖聲信號的傳播時間來進行的。此法直接測量脈沖傳播單程(透射法)所需的時間t，從而求得聲速： （2） 傳統(tǒng)超聲波頻譜法 傳統(tǒng)超聲脈沖回波譜分析法測聲速技術，需要發(fā)射一次脈沖超聲波，將

38、接收到的信號進行譜分析結合材料厚度便能夠獲得材料聲速，當測試樣較薄時，譜分析方法相對于傳統(tǒng)的聲速測量方法更具有優(yōu)勢。(3) 脈沖回波譜分析法適用于薄固體材料的聲速測量，對接收的超聲信號要求很低，只要波峰明顯遞減就可以，不需要每個回波里面各個周期的波符合任何條件，這樣它對嗓聲很大信號或是薄材料的聲速測量就具有很大優(yōu)勢，譜分析法對薄材料的厚度也是有限制的，太薄的材料第一回波會把已后回波的波峰等特征點完全覆蓋，沒有了波峰遞減的趨勢，譜分析法不能適用。本課題采用的是傳統(tǒng)脈沖回波法來測聲速，實驗裝置見圖2-7圖2-7 泰克TDS1002B-SC數(shù)字示波器和泰克AFG3022B任一波形發(fā)生器2.4.2匹配

39、層樣品聲速測試結果 環(huán)氧樹脂與鋁粉質量比為1:1時的波形圖 環(huán)氧樹脂與鋁粉質量比為1:2時的波形圖 環(huán)氧樹脂與鋁粉質量比為1:3時的波形圖環(huán)氧樹脂與鐵粉質量比為1:1時的波形圖環(huán)氧樹脂與鐵粉質量比為1:2時的波形圖環(huán)氧樹脂與鐵粉質量比為1:3時的波形圖環(huán)氧樹脂與鎢粉質量比為1:1時的波形圖環(huán)氧樹脂與鎢粉質量比為1:2時的波形圖環(huán)氧樹脂與鐵粉質量比為1:3時的波形圖環(huán)氧樹脂與混合填料的波形圖從圖2-11中可以計算出，聲波在傳感器之間傳播的時間為2.24E-06秒，所以聲波在匹配層樣品中的傳播應該減去這個時間.就是聲波在匹配層樣品中實際的傳播時間.從其他的波形圖可以計算出聲波在匹配層樣品中的實際傳

40、播時間。見下表，計算出了鋁粉、鐵粉和鎢粉為填料，環(huán)氧樹脂跟胺類固化劑為基體制成的匹配層樣品的實際聲波傳播時間。 以鋁粉為填料的匹配層樣品聲波實際傳播時間1:11:21:3編號樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)160.25.0569E-662.84.0229E-661.81.5654E-6252.02.9879E-652.14.0229E-652.82.7162E-6342.02.9879E-641.92.0689E-641.03.6572E-6431.54.0229E-6 31.91.6829E-632.54.6002E-65

41、22.04.3719E-620.95.5709E-621.93.6162E-6611.55.3279E-611.53.5729E-611.03.6572E-6以鐵粉為填料的匹配層樣品聲波實際傳播時間1:11:21:3編號樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)160.24.0229E-662.82.7729E-661.82.71624E-6252.02.6609E-652.13.7729E-652.85.4326E-6342.03.0689E-641.92.7729E-641.04.49224E-6431.53.6609E-6 31

42、.92.8039E-632.52.71624E-6522.03.7729E-620.94.7709E-621.93.18624E-6611.54.6609E-611.56.6627E-611.03.18624E-6以鎢粉為填料的匹配層樣品聲波實際傳播時間 1:11:21:3編號樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)樣品厚度()聲波實際傳播時間(s)160.24.0229E-662.82.9879E-661.83.50824E-6252.02.9879E-652.12.6609E-652.84.49224E-6342.02.0689E-641.93.6629E-64

43、1.03.65724E-6431.52.9879E-6 31.94.7649E-632.53.65724E-6522.02.9879E-620.93.3599E-621.96.000003134611.54.3699E-611.52.5729E-611.03.50824E-6聲波在以鋁粉為填料的匹配層樣品中的傳播速度1:11:21:3編號樣品厚度()聲波傳播速度()樣品厚度()聲波傳播速度()樣品厚度()聲波傳播速度()160.21.19E+0462.81.56E+0461.82.78E+04252.01.74E+0452.11.29E+0452.81.94E+04342.01.40E+044

44、1.92.02E+0441.01.12E+04431.57.83E+04 31.91.89E+0432.57.06E+04522.05.03E+0420.93.75E+0421.96.05E+04611.52.15E+0411.53.21E+0411.03.00E+04聲波在以鐵粉為填料的匹配層樣品中的傳播速度1:11:21:3編號樣品厚度()聲波傳播速度()樣品厚度()聲波傳播速度()樣品厚度()聲波傳播速度()160.21.49E+0462.82.26E+0461.82.27E+04252.01.95E+0452.11.38E+0452.89.71E+04342.01.36E+0441.9

45、1.51E+0441.09.12E+04431.58.60E+04 31.91.13E+0432.51.19E+04522.05.83E+0420.94.38E+0421.96.87E+04611.52.46E+0411.51.72E+0411.03.45E+04聲波在以鎢粉為填料的匹配層樣品中的傳播速度1:11:21:3編號樣品厚度()聲波傳播速度()樣品厚度()聲波傳播速度()樣品厚度()聲波傳播速度()160.21.49E+0462.82.10E+0461.81.76E+04252.01.74E+0452.11.95E+0452.81.17E+04342.02.03E+0441.91.1

46、4E+0441.01.12E+04431.51.05E+04 31.96.69E+0432.58.88E+04522.07.36E+0420.96.22E+0421.93.64E+04611.52.63E+0411.54.46E+0411.03.13E+04由表可以看出，對于以鋁粉為填料，以環(huán)氧樹脂與胺類固化劑為基體制備的匹配層樣品，在同一厚度時，聲波在環(huán)氧樹脂與鋁粉的質量比1:1的樣品中的傳播速度大于在環(huán)氧樹脂與鋁粉質量比1:2的樣品中的傳播速度,都大于環(huán)氧樹脂與鋁粉質量比1:3的，同樣的，以鐵粉和鎢粉為填料制成的匹配層樣品的聲阻抗也是一樣的現(xiàn)象，這說明在同一厚度的同種材料制成的樣品中，聲波

47、的傳播速度與密度大小成反比，密度越大，傳播速度越慢。而對于同一種材料的樣品在不同厚度時，聲速的傳播速度基本不受太大的影響。2.5匹配層樣品的聲阻抗的測定與分析2.5.1匹配層樣品聲阻抗的測定方法對于聲阻抗匹配要求，匹配層介質的聲阻抗取值一般在壓電陶瓷和空氣的阻抗值之間。在傳統(tǒng)理論模型中，將壓電材料和工作對象介質均視為半無窮大。設壓電材料的聲阻抗為Zp，負載的聲阻抗為Zm，匹配層的聲阻抗為Z。則單層匹配的聲阻抗為 (2) 聲阻抗率的表達式為： 聲阻抗等于樣品的密度與聲波在其中的傳播速度的乘積以鋁粉為填料制得的匹配層的密度與聲波傳播速度1:11:21:3編號樣品厚度()密度聲波傳播速度()樣品厚度

48、()密度聲波傳播速度()樣品厚度()密度聲波傳播速度()160.22.2931.19E+0462.82.5441.56E+0461.82.9422.78E+04252.02.3661.74E+0452.12.7241.29E+0452.83.0111.94E+04342.02.5491.40E+0441.92.9522.02E+0441.03.3641.12E+04431.52.9047.83E+0431.93.3061.89E+0432.53.6037.06E+04522.03.4205.03E+0420.94.1513.75E+0421.94.3876.05E+04611.55.1152.15E+0411.56.0003.21E+0411.07.0223.00E+04以鐵粉為填料制得的匹配層的密度與聲波傳播速度1:11:21:3編號樣品厚度()密度聲波傳播速度()樣品厚度()密度聲波傳播速度()樣品厚度()密度聲波傳播速度()160.22.7121.49E+0462.82.6002.26E+0461.83.5232.27E+0