一種用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料及其製造方法
2023-05-27 11:15:46 3
專利名稱：一種用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料及其製造方法。
背景技術：
在較高的聲強度或者連續長時間地使用超聲相陣控探頭，會使換能器的內部組件溫度過高，從而對探頭的性能和檢測結果會產生很大的影響，甚至會影響到探頭的使用壽命。由於選擇換能器元件的標準是按其聲學性能的優劣來進行選擇的，但是聲學性能優良的換能器元件的導熱率通常是比較低的。再加上換能器元件常通過切槽而相互隔離，其對換能器元件提供了額外的熱絕緣。這樣，換能器元件內產生的熱被封閉在聲疊層中，難以散發出來，再加上換能器元件的低導熱率，這就容易導致探頭的表面溫度升高，超過環境溫度。超聲相控陣探頭分為工業相控陣探頭和醫療相控陣探頭，醫療相控陣探頭因為要檢查患者的內部組織，需要與人體接觸，如果探頭的表面溫度超過了人體可承受的溫度，會對患者造成不必要的困擾甚至造成皮膚燙傷等。為了防止換能器組件的表面過熱，人們對換能器的組件都做了一些改進，最理想的辦法，就是將熱量從換能器組件的產熱區排出，也就是從換能器的背襯材料處做考慮。在中國專利公開號CN 1799510A，
公開日2006年7月12日，發明創造名稱為《提高熱傳導的超聲換能器》，該專利公開一種用於換能器中具有提高的熱導率的背襯材料複合結構，具體做法就是將多個導熱元件交替地布置在多層背襯材料上，這樣換能器的熱量就能有效地通過導熱元件，從換能器中心轉移到背襯材料複合結構多個點上，從而有效地將熱量散發了出去，確保探頭的表面溫度不會過高，但是這種方法的缺點是1，結構複雜，要將多個導熱元件交替地分布在背襯材料上，所耗的工時比較多；2，由於其多個導熱元件交替地布置在多層背襯材料上的，所以這種做法只能針對具有多層背襯材料的超聲換能器，不能夠普及到其他結構的換能器上；3，由於使用了多個導熱元件和其布置複雜，所以其生產成本會比較高。超聲探頭中的背襯材料主要有兩個用途一，與晶片進行匹配，降低晶片的振動次數，從而提高探頭的頻帶寬度；二，吸收壓電陶瓷背向發射的聲波，減少背向雜波對探頭的影響，提高檢測的可靠性。如果背襯材料和壓電陶瓷的聲阻抗越接近，聲衰減越大，壓電陶瓷所激發的超聲波可最有效地進入背襯材料，繼而被吸收，探頭的頻譜就越寬，解析度就越好。對於高阻抗背襯材料的製作，前人作了不少研究。滕永平在《應用聲學》(1995年14卷第六期37-39頁)上的一篇文章《超聲檢測用的窄脈衝探頭高阻抗背襯的研製》中提出了一種「擠壓法」，而在中國專利公開號CN 1605863A，
公開日2005年4月13日，發明創造名稱為《一種用於超聲無波損檢測探頭的背襯材料及其製造方法》，該申請公開了一種採用沉積法製作具有高聲阻抗率及該聲衰減係數背襯材料的方法。這些背襯材料都有一個共同的特徵高阻抗、衰減大；然而用這種背襯材料製得的探頭雖然具有脈衝短，頻帶寬的優點， 但是探頭的靈敏度卻都大幅度地偏低。這是因為壓電陶瓷所激發的超聲波大部分被背襯材料吸收，從而造成探頭的靈敏度都大幅度地偏低。靈敏度和解析度是影響超聲探頭性能的好壞的重要因素，為了達到高解析度，而造成探頭的靈敏度大幅度偏低，這並不是一種很好的做法。對於這個問題，有一種折中的解決方法是製作高衰減，聲阻抗相對較低的背襯材料。
發明內容
本發明的目的是提供一種從背襯材料的組分著手，製作高導熱性、高衰減和聲阻抗相對較低的適用於超聲相控陣探頭的背襯材料及其製造辦法。由於本發明的背襯材料具有高導熱性、高衰減和聲阻抗相對較低的特點，使用由該背襯材料製成的超聲相控陣探頭， 解決了當探頭長時間或者在較高聲強度工作時，由於背襯材料低導熱率，熱量難以散發，導致換能器工作是容易溫度過高的問題；而且該超聲相控陣探頭，能夠很好地滿足人們對探頭的靈敏度和解析度的要求。本發明是通過以下技術方案來實現的，一種適用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料，由三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉和環氧膠粘劑組成，其特徵在於，所述環氧膠粘劑由環氧樹脂E-54、三乙醇胺攪拌混合製得，所述複合材料鎢粉是由橡膠與鎢粉混煉而成的。所述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比為10. 48% -53. 04%；背襯材料的聲阻抗率為4. 75X 106-8· 42 X IO6Pa. s/m ；背襯材料在 5MHz 時的聲衰減係數為136. 8-294. 4dB/cm ； 背襯材料的熱傳導係數為1. 175-1. 782ff/(m. k)。根據權利要求1或2所述的背襯材料，其特徵在於上述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比可以為10. 48% -26. 52%，所述背襯材料的聲阻抗率為7. 48Χ106_8· 42 X IO6Pa. s/ m，在5MHz時的聲衰減係數為223194. 4dB/cm，其熱傳導係數為1. 175-1. 782W/ (m. k)。根據權利要求1所述的背襯材料，其特徵在於所述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比的優選值為26. 52%，三氧化二鑥佔背襯材料的質量百分比為26. 52%，複合材料鎢粉佔背襯材料的質量百分比為39. 79%，所述的背襯材料的聲阻抗率為8. 42 X IO6Pa. s/m，其在 5MHz時的聲衰減係數為223dB/cm，熱傳導係數為1. 782ff/(m. k)。製造本發明所述的超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料的方法，包括以下步驟(a)將環氧樹脂E-M、三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉攪拌混合，製成壓制背襯材料必需的複合顆粒，其中環氧樹脂E-M佔背襯材料總質量的6. 22%，氧化鋁佔背襯材料質量百分比的10. 48% -53. 04%，三氧化二鑥佔背襯材料的質量百分比為10. 48% -53. 04%, 複合材料鎢粉佔背襯材料的質量百分比為39. 79%。(b)將佔背襯材料總質量的0. 95%的三乙醇胺加入上述的複合顆粒中，攪拌混合。(c)將複合顆粒裝入模具中，利用粉末壓片機將其擠壓成所需的背襯材料(d)將壓制好的背襯材料放進爐溫為65°C的鼓風加熱烤箱中， 加熱固化。本發明由於採用改變背襯材料組分的辦法來製造製作高導熱性、高衰減和聲阻抗相對較低的適用於超聲相控陣探頭的背襯材料。該背襯材料具有以下的優點1原料來源容易，價格不高，有效地保證了超聲相控陣探頭的生產成本；2各組分的聲學特性和物理特性，有機組合後，保證了超聲相控陣探頭對背襯材料的聲學要求和熱性能要求。氧化鋁是高熱導率，聲速高的粉體，將其加入背襯材料中，有利於其導熱性和聲速的提高；三氧化二鑥的密度大，將其加入背襯材料中，可以提高體系的整體密度；複合鎢粉是製作背襯材料中常用的填料，用來保證背襯材料具有足夠聲衰減性能；3，大大減少了樹脂的用量，有效地提高了粉體在體系中的質量百分比；4，製作工藝簡單，快捷，有利於工業化的生產，而且不會造成浪費和環境汙染；5，使用由該背襯材料製成的超聲相控陣探頭，其高導熱性解決了由於背襯材料低導熱率，導致換能器工作是容易溫度過高的問題，而在5MHz時的聲衰減係數為 223dB/cm,良好的聲衰減性能，使超聲相控陣探頭的背向雜波微弱，不會干擾正常的檢測信號，提高了探頭的解析度，另外由於其聲阻抗率為8. 42X IO6Pa. s/m，聲阻抗相對比較低，使得探頭的靈敏度不會偏低，保證探頭靈敏度的需求。
圖1為超聲醫療相控陣的結構2背襯材料的導熱係數隨氧化鋁的百分含量的變化曲線圖3背襯材料的聲阻抗隨氧化鋁的百分含量的變化曲線圖4背襯材料的聲衰減係數隨氧化鋁的百分含量的變化曲線圖5採用3號配方背襯材料製成的2. 5MHz醫療相控陣探頭的脈衝和頻譜圖
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作詳細的描述。本發明所述的適用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料，其特徵在於由三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉和環氧膠粘劑組成，其中所述的氧化鋁佔背襯材料的質量百分比為10.48% -53.04%。其中質量分數按以下公式計算
氧化鋁的質量
氧化鋁的質量百分數=-
複合材料鎢粉的質量百分數二
體系的質量
鶴粉的質量
三氧化二鑥粉的質量百分數=
體系的質量四氧化三鉛的質量
體系的質量其中上述背襯材料的聲阻抗率為4. 75X 106-8. 42 X IO6Pa. s/m, 5MHz時的聲衰減係數為:136. 8-294. 4dB/cm，熱傳導係數為:1. 175-1. 782W/ (m. k)。其中上述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比的較佳值為10.48% -26.52%，所述背襯材料的聲阻抗率為7. 48 X 106-8. 42 X IO6Pa. s/m,在5MHz時的聲衰減係數為 223-294. 4dB/cm，其熱傳導係數為1. 175-1. 782W/ (m. k)。上述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比的最佳值為26. 52%，三氧化二鑥佔背襯材料的質量百分比為26. 52%，複合材料鎢粉佔背襯材料的質量百分比為39. 79%，所述的背襯材料的聲阻抗率為8. 42 X IO6Pa. s/m，其在5MHz時的聲衰減係數為223dB/cm，熱傳導係數為 1. 782W/ (m. k)。其中上述環氧膠粘劑由環氧樹脂E-54、三乙醇胺攪拌混合製得；複合材料鎢粉是由橡膠與鎢粉混煉而成。製造本發明所述的超聲相控陣陣列探頭的背襯材料的方法，包括以下步驟(a)將環氧樹脂E-M、三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉攪拌混合，製成壓制背襯材料必需的複合顆粒，其中環氧樹脂E-M佔背襯材料總質量的6. 22%，氧化鋁佔背襯材料質量百分比的10. 48%-53. 04%，三氧化二鑥佔背襯材料的質量百分比為 10. 48%-53. 04%，複合材料鎢粉佔背襯材料的質量百分比為39. 79%。(b)將佔背襯材料總質量的0.95%的三乙醇胺加入上述的複合顆粒中，攪拌混合。(c)將複合顆粒裝入模具中，利用粉末壓片機將其擠壓成所需的背襯材料。(d)將壓制好的背襯材料放進爐溫為 65°C的鼓風加熱烤箱中，加熱固化。以下結合實例詳細描述本發明的具體實施方式
。實施例1本發明所述的適用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料，由三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉和環氧膠粘劑組成，其中氧化鋁佔背襯材料質量分數的26. 52%, 氧化鋁採用上海高納粉體技術有限公司生產的粒度為1500目，密度為4.0g/cm3，三氧化二鑥佔背襯材料質量分數的26. 52%，三氧化二鑥採用廣州偉伯化工有限公司生產的粒度為 400目，密度為9. 4g/cm3 ；複合鎢粉佔背襯材料質量分數的39. 79%，是由橡膠與鎢粉混煉而成，顆粒粒度為0. 5mm。環氧膠粘劑由環氧樹脂E-M、三乙醇胺攪拌混合製得，其中環氧樹脂E-M和三乙醇胺採用廣州化學試劑廠的。表1實施例1的背襯材料的配方
權利要求
1.一種適用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料，由三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉和環氧膠粘劑組成，其特徵在於，所述環氧膠粘劑由環氧樹脂E-54、三乙醇胺攪拌混合製得，所述複合材料鎢粉是由橡膠與鎢粉混煉而成的。
2.根據權利要求1所述的背襯材料，其特徵在於上述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比為10. 48% -53. 04% ；背襯材料的聲阻抗率為4. 75X 106_8· 42X IO6Pa. s/m ；背襯材料在5MHz時的聲衰減係數為136. 8-294. 4dB/cm ；背襯材料的熱傳導係數為1. 175-1. 782W/
3.根據權利要求1或2所述的背襯材料，其特徵在於上述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比可以為10. 48% -26. 52%，所述背襯材料的聲阻抗率為7. 48Χ106_8· 42 X IO6Pa. s/m, 在5MHz時的聲衰減係數為223494. 4dB/cm，其熱傳導係數為1. 175-1. 782W/ (m. k)。
4.根據權利要求1所述的背襯材料，其特徵在於所述氧化鋁佔背襯材料的質量百分比的優選值為26. 52%，三氧化二鑥佔背襯材料的質量百分比為26. 52%，複合材料鎢粉佔背襯材料的質量百分比為39. 79%，所述的背襯材料的聲阻抗率為8. 42 X IO6Pa. s/m，其在 5MHz時的聲衰減係數為223dB/cm，熱傳導係數為1. 782ff/(m. k)。
5.一種製造如權利要求1所述的適用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料的方法，包括以下步驟(a)將環氧樹脂E-M、三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉攪拌混合，製成壓制背襯材料必需的複合顆粒，其中環氧樹脂E-M佔背襯材料總質量的6. 22%，氧化鋁佔背襯材料質量百分比的10. 48% -53. 04%，三氧化二鑥佔背襯材料的質量百分比為10. 48% -53. 04%, 複合材料鎢粉佔背襯材料的質量百分比為39. 79%。(b)將佔背襯材料總質量的0.95%的三乙醇胺加入上述的複合顆粒中，攪拌混合。(c)將複合顆粒裝入模具中，利用粉末壓片機將其擠壓成所需的背襯材料。(d)將壓制好的背襯材料放進爐溫為65°C的鼓風加熱烤箱中，加熱固化。
全文摘要
一種適用於超聲相控陣探頭的高導熱高衰減的背襯材料，由三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉和環氧膠粘劑組成，其特徵在於，所述環氧膠粘劑由環氧樹脂E-54、三乙醇胺攪拌混合製得，所述複合材料鎢粉是由橡膠與鎢粉混煉而成的。其中氧化鋁佔背襯材料的質量百分比為10.48％-53.04％。其製造方法包括以下步驟(a)將環氧樹脂E-54、三氧化二鑥、氧化鋁、複合材料鎢粉攪拌混合，其中環氧樹脂E-54佔背襯材料總質量的6.22％，氧化鋁佔背襯材料質量百分比的10.48％-53.04％。(b)將佔背襯材料總質量的0.95％的三乙醇胺加入上述的複合顆粒中，攪拌混合。(c)將複合顆粒裝入模具中，利用粉末壓片機將其擠壓成所需的背襯材料。(d)將壓制好的背襯材料放進爐溫為65℃的鼓風加熱烤箱中，加熱固化。該背襯材料的熱傳導係數為1.782W/(m.k)，聲阻抗率為8.42×106Pa.s/m，在5MHz時的聲衰減係數為294.4dB/cm。這種背襯材料具有高導熱性和高衰減的特點，而且用這種背襯材料製作的相控陣探頭，探頭的靈敏度和解析度都得到滿足應用的要求。
文檔編號C09K5/14GK102338777SQ201010227648
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者紀軒榮, 藍詠 申請人:廣州多浦樂電子科技有限公司