文 |许晨渊的书房

编辑 | 许晨渊的书房

超声阵列换能器是一种包括压电元件的换能器，该压电元件被分成多个独立附着的元件，这些元件被聚合物复合材料包围，它可以是1D、2D或环形。近年来，对超声阵列的非破坏性评估的需求大大增加。阵列可以在更短的检查时间内提高检查质量。

与传统的单元素传感器相比，它们具有优势：一个阵列可以进行许多不同的搜索，并且能够输出测试帧的即时图像，这些优点在工程工业中有许多应用前景。

三元乙丙橡胶制成的橡胶是由德国ESSO化学公司生产的，Vistalon 650S二烯(亚乙基降冰片烯)浓度为9%，乙烯含量为55%，密度为0.86。在127°C 48–52°时，门尼粘度为ML。

将不同浓度的未处理和处理过的Cu–Al–Zn合金(2.5、5、10、15和20 phr)与EPDM和ASTM D3182-07(2012)标准规定的其他成分在双辊研磨机中混合。硫化前将混合橡胶放置过夜。如ASTMD2084-11 2011年所述，使用MDR One移动模头流变仪，TA在152±1°C下，对含Cu–Al–Zn合金的混合物的流变特性进行了规定。方案中总结了材料结构，制造和处理。

这项研究的主要目的是研究用于超声阵列换能器的Cu–Al–Zn/EPDM复合材料。因此，我们必须研究所制备的复合材料的一些重要性质，如超声速度、声阻抗、超声衰减系数和力学性能。这些性质是关键的，反映了对用于制造给定应用的超声换能器的背衬材料有用性的良好认识。

超声波声速测量有助于研究所制备的EPDM复合材料的材料结构和力学性能。主要测量的超声波速度是纵向速度和剪切速度。压缩波是具有超声波纵向速度的波。它主要由与波长相关的样品几何形状决定。这是实验室中最常测定的速度，它与材料的弹性直接相关。横波也称为横波。剪切速度几乎是纵波速度的一半。

超声波速度(纵向和剪切)遵循相同的模式，随着金属合金的增加而增加。EPDM复合材料(E0至E5)的纵向速度从约3281米/秒增加到3876米/秒，剪切速度从约1533米/秒增加到1963米/秒，而EPDM复合材料(E6至E10)的纵向速度从约3281米/秒增加到3980米/秒，剪切速度从约1533米/秒增加到1999米/秒。

我们可以得出结论，增加EPDM基质中的合金含量会减少分子间间距，从而增加超声波速度，此外，Cu/合金的处理使速度进一步提高。合金的加入减少了复合材料中声波通过所需的时间由于分子间间距减小，处理也是如此。

因此，所制备的EPDM复合材料将是具有良好分子排列和低分子间间距的良好背衬材料，增强了对来自压电材料的不想要的回波的吸收。密度随着不同的EPDM复合材料而增加，直到在高合金含量时达到最大值。因为该合金含有铜、铝和锌，这些都是高密度金属，它填充了复合材料的间隙并增加了质量。

此外，含有偶联剂的EPDM复合材料比没有偶联剂的EPDM复合材料具有更高的密度。偶联剂增加了密度；它与合金一起使用以增加EPDM复合材料的质量。为了获得用于阵列换能器的良好背衬材料，我们需要获得具有高密度但不太致密的材料，因为用于高频阵列换能器的背衬材料需要有效地抑制压电材料的过度振动，而不太致密以至于完全阻止压电材料移动。结果，制备的EPDM复合材料具有适合这种作用的密度，因为最大密度不超过1.058 kg/cm3。

声阻抗随着EPDM基体中合金含量的增加而增加，在合金含量为20 phr的E5处达到最大值(4.08毫瑞利)。EPDM基体中的声阻抗随着处理过的合金含量的增加而增加，直到在20 phr处理过的合金含量的E10处达到最大值4.2 MRayls。Z从E0到E10增加了约26%。

通常，声阻抗(Z)描述了超声波束在穿过给定材料时遇到的阻力，它反映了材料的结构导致的材料对波的作用.因此，我们可以得出结论，在铜合金/EPDM复合材料以及含有处理过的铜合金的复合材料中，随着合金百分比的增加，对波流的阻力增加。这确保了所制备的复合材料可以是用于超声波制造的良好背衬材料。它们将能够很好地防止回声混响到压电元件，因此回声噪声降低，并且将获得清晰的回声束。

此外，所制备的具有Cu–Al–Zn合金含量的EPDM复合材料可以被认为是背衬材料，因为它们的声阻抗非常类似于具有钨(Z环氧树脂= 20℃时3毫瑞利)被许多研究人员用作阵列换能器的良好背衬材料。因此，E0 (3.08毫瑞利)、E1 (3.2毫瑞利)、E2 (3.4毫瑞利)、E3 (3.5毫瑞利)和E6 (3.45毫瑞利)是制备得最好的EPDM复合材料，其Z接近于含钨环氧树脂的Z。

超声波衰减系数(α)在具有未处理的铜合金的EPDM复合材料中的范围为约1.7至2.04 dB/cm，而在具有处理的铜合金的EPDM复合材料中的范围为约2.3至3.07 dB/cm。超声波衰减系数(α)随三元乙丙橡胶基体中铜合金含量的增加而降低。

许多研究已经推断出衰减和包括缺陷、间隙等在内的材料微观结构之间存在线性关系。因此，超声衰减系数的减少证明了所制备的EPDM/Cu合金复合材料中缺陷或间隙的减少.这种减少确保了铜合金在EPDM基体中的良好分布，分子之间几乎没有间隙和缺陷。

然而与当前在制备的EPDM复合材料和含钨的环氧树脂之间进行比较时，我们注意到最一致的复合材料是E6(α= 3.07分贝/厘米)和E7(α= 2.96分贝/厘米)，因为它们的超声波衰减系数(α)值非常接近含钨的环氧树脂(α环氧树脂= 3分贝/厘米)。

显微硬度(H)和杨氏模量(E)进行计算以证明所制备的EPDM复合材料的一些特性以及合金含量的影响.此外，EPDM复合材料的机械性能证明了它们作为背衬材料的有效性。

三元乙丙橡胶复合材料的泊松比随着铜合金含量的增加而降低。泊松比的降低保证了复合材料力学性能的提高。我们可以说，添加经处理的铜合金提高了机械性能。在EPDM基体中加入20份处理过的铜合金，显著提高了复合材料的力学性能。

由于所制备的复合材料的机械性能的提高，我们可以说这些复合材料将是阵列换能器背衬材料的良好候选材料。尤其是超声线性阵列换能器，因为多个压电元件需要良好的冲击软背衬材料来填充所有间隙。此外，它们必须是从多个压电元件的振动返回的大部分回波的吸收器。

根据之前的研究，典型地，背衬材料由聚合物基质(例如环氧树脂或聚氨酯)和金属颗粒的无机填料(包括钨、铁、铜、镁和铝)组成.来自表格4铜合金/EPDM复合材料和含钨环氧树脂的特性非常相似，但是铜合金/EPDM复合材料可能具有较低的密度和较高的超声波速度。这意味着铜合金/EPDM复合材料具有更大的分子间间距排列，使波更容易通过。

此外，它们具有较高的密度，这导致抑制后壁回波，但是它们仍然足够柔软，以允许压电材料的更多运动。铜合金/三元乙丙橡胶复合材料性能的提高将在本研究的后续部分得到证实。

超声测量如超声速度、声阻抗、超声衰减和通过超声的机械性能允许我们推断出铜合金/EPDM复合材料具有良好的分子间排列、分子间很少的间隙和缺陷、铜合金在EPDM基体中的良好分布以及良好的机械性能。

形态测量(SEM照片)确保了复合材料的均匀形态，作为热重分析的结果，其具有良好的耐热分解性(热稳定性)。DSC和流变性能表明EPDM晶体具有高度完整性，并证明TMSPM是改善铜合金分散性的良好连接剂。

复合材料的物理性能表现为拉伸强度和伸长率的增加、分子平面共混的改善、抗疲劳性和能量吸收能力的增加。此外，所制备的EPDM复合材料的最大密度不超过1.058千克/厘米3这足以抑制压电材料的过度振动，而不会太密集而完全阻止其移动。从这些复合材料的性能来看，铜合金/三元乙丙橡胶复合材料将是超声阵列换能器的有效背衬材料。