CC BY
42
УДК 621.034:534.232
УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДИАПАЗОНАХ ЧАСТОТ, ТЕМПЕРАТУР И КОНЦЕНТРАЦИЙ НАПОЛНИТЕЛЯ
© 2008 г. П. О. Липовко
Введение
В настоящее время в нашей стране и за рубежом широкое применение в конструкциях ультразвуковых высокочастотных излучателей и приемников получили акустические композиционные материалы (АКМ). Они используются для изготовления важных элементов излучателей - протекторов и демпферов - и формируются непосредственно на лицевой и тыльной сторонах активных пьезоэлементов либо приклеиваются к ним после предварительного изготовления [1].
Данное исследование проводилось по заказу Научно-исследовательского института физики Южного федерального университета (НИИФ ЮФУ) - Головного разработчика первого отечественного литотрип-тера - медицинского аппарата для дистанционного разрушения камней в почках без повреждения промежуточных тканей. Для нормальной работы литотрип-тера необходимо, чтобы при несущей частоте ультразвука в диапазоне 1 - 5 МГц излучаемые акустические импульсы имели заданную большую амплитуду и минимальную длительность. Эти два условия можно обеспечить, если, во-первых, материал демпфера будет согласован (или достаточно близок по акустическому сопротивлению) с пьезокерамикой, во-вторых, если он будет обладать большим поглощением ультразвука на используемой частоте, в-третьих, если протектор будет изготовлен из материала с малым затуханием ультразвука, в-четвертых, если акустическое сопротивление материала протектора будет вполне определенным и не совпадающим с сопротивлением пьезокерамики. Удовлетворить всем этим требованиям проблематично, особенно если учесть, что в настоящее время в конструкциях ультразвуковых излучателей используется широкий спектр пьезоэлектрических материалов. Их акустические сопротивления могут отличаться друг от друга до 15 и более раз, а диапазон рабочих частот простирается от 0,5 до 20 МГц и более. При этом затухание ультразвука в твердых материалах нелинейно возрастает с частотой вплоть до четвертой степени от изменения последней [2].
Поэтому несколько десятилетий назад был найден универсальный технологический путь изготовления АКМ, который стал общепринятым. Он состоит в том, что в качестве связующего в АКМ используется эпоксидный компаунд, обладающий невысоким затуханием ультразвука и низким акустическим
сопротивлением, а в качестве наполнителей применяют порошки тяжелых металлов, их окислов и сплавов. При этом возможные вариации веществ и концентраций наполнителей существенно влияют на акустические параметры АКМ, изменяя их в требуемом направлении [1].
Объекты и задачи исследования
В качестве объектов исследования служили АКМ, изготовленные в лаборатории на основе эпоксидного компаунда марки ЭДП с наполнителями - порошками тонкого помола окиси алюминия (А12О3), окиси свинца (РЬО) и ферровольфрамового сплава (Бе - "). Все компоненты АКМ были отечественного производства и поставлялись заказчиком. Средние размеры частиц наполнителя, оцененные с помощью оптического микроскопа, составили: для фракции А12О3 - 40 мкм, для РЬО - 30 мкм, для (Бе - ") - 10 мкм. Задачи ультразвукового исследования АКМ состояли в том, чтобы:
1) получить концентрационные (по наполнителям) зависимости акустического сопротивления АКМ, скорости распространения в них ультразвука и коэффициента затухания волн в диапазоне частот 1 - 5 МГц с инструментальными погрешностями не более 2, 3 и 10 % соответственно;
2) ориентировочно оценить влияние температуры в узком интервале 20 ± 10 °С на акустическое сопротивление АКМ.
Последняя оценка была необходима для заключения о несущественности влияния вариаций комнатной температуры на акустические сопротивления протектора, пьезоэлемента и демпфера ультразвукового излучателя и, следовательно, - на эффективность работы литотриптера.
Технология подготовки образцов АКМ включала приготовление эпоксидного компаунда, смешивание его в определенных пропорциях с каждым из наполнителей в отдельности и отверждение полученных составов в стеклянных пробирках при комнатной температуре. Полученные заготовки (АКМ в стекле) разрезались поперек алмазным диском на образцы диаметром 20 - 30 мм (в зависимости от внутреннего диаметра пробирки) и толщиной 5 - 20 мм. Вариации толщины были необходимы по методическим соображениям (см. ниже). Номинальный размер толщины образца (т.е. его акустическая длина) зависел от про-
цедуры ручной дошлифовки образцов на шлифовальной плите под контролем индикатора часового типа (ГОСТ 6507 - 68). При этом плоскопараллельность торцевых поверхностей образцов обеспечивалась в пределах 0,03 - 0,01 мм, а погрешность толщины, измеренной микрометром (ГОСТ 6507 - 78), по осторожной оценке принималась равной 0,015 мм. Всего было изготовлено 105 образцов, что позволяло проводить каждое акустическое измерение на 3 - 4 образцах с усреднением результатов. Массовые концентрации наполнителей в образцах АКМ варьировали в пределах 0 - 70 % (нулевая концентрация подразумевалась для использования в протекторе), погрешность изготовления минимальной массовой концентрации в 10 % составляла не более 0,15 %, максимальной (70 %) - не более 0,05 %. Для наполнителя А1203 максимальная концентрация составила 50 %, большей величины ее достичь не удалось из-за сильного вязкого сопротивления при перемешивании компонентов.
Методы измерений и аппаратура
Для исследований была собрана экспериментальная установка, включающая электронный осциллограф типа С1 - 93, импульсный генератор типа Г5 - 54, ультразвуковые преобразователи и дополнительные принадлежности (насадки, держатели и др.). Электронные измерительные приборы были поверены в региональном ЦГСМ. Ультразвуковые преобразователи были нами специально сконструированы и изготовлены на основе дисковых пьезоэлементов из керамики марки ЦТС - 83Г с диаметром 15 мм и номинальными резонансными частотами толщинных колебаний 1,0; 1,5; 2,5 и 4,5 МГц (продукция ОКТБ «Пье-зоприбор» РГУ). Однако действительные несущие частоты эхо-импульсов, измеренные по ГОСТ 23049-084 [3], за счет эффективного демпфирования пьезоэле-ментов составили соответственно 0,9; 1,4; 2,3 и 3,7 МГц. Тем не менее, далее везде указаны номинальные частоты в соответствии с принятой в акустической литературе традицией и с учетом цели исследования -акустического обеспечения конструкторской разработки медицинского аппарата. Диаметр зоны контроля у ультразвуковых преобразователей составлял 5 мм, что позволяло посредством ручного сканирования дополнительно устанавливать степень акустической неоднородности образцов АКМ по площади их поверхности. Все методики измерения акустических характеристик АКМ выполнялись в импульсном режиме и в иммерсионном варианте. Скорость распространения ультразвука измерялась по классическому методу калиброванной развертки осциллографа при общем пьезоэлементе. Рабочая формула для расчета
21
скорости С ультразвука имеет вид: С = —, где I -
At
длина образца, Д / - время запаздывания второго эхо-сигнала по отношению к первому. Для уменьшения погрешности измерения времени горизонтальная шкала осциллографа была перекалибрована с помощью аттестованных государственных стандартных образцов СО-1 и СО-2, входящих в состав комплекта
ультразвукового контроля КОУ-2, выпускаемого серийно по ГОСТ 14782-86 [3]. Инструментальная погрешность измерения скорости ультразвука в наших измерениях зависела от величины скорости и для всех значений последней заключалась в пределах от 0,3 до 1,1 %. Коэффициент затухания ультразвука а измерялся по классическому методу переменного расстояния с двумя пьезоэлементами. Переменное расстояние прохождения волн в АКМ создавали путем использования двух образцов одинакового состава и концентрации наполнителя, но разной длины. Рабочая формула для расчета коэффициента затухания ультразвука а имеет вид
20 1 А1 )
а =-щ—- (дБ/мм),
12 —А 2
где ¡\ и 12 - акустические длины образцов меньшего и большего размера соответственно, измеряемые в мм, А! и А2 - соответствующие величины амплитуд прошедших через образцы колебаний. Величина инструментальной погрешности измерения а зависела от значения последней и для всех опытных результатов заключалась в пределах от 1,5 до 2,6 %.
Акустическое сопротивление 2 в образцах АКМ измерялось по созданной нами методике акустической рефлектоимпедансометрии с калиброванным отражателем. При этом производилось измерение двух амплитуд импульсов: отраженного от образцовой среды, имеющей сопротивление 2к , и от исследуемой среды (при смене образцов).
Рабочая формула для расчета 2 имеет вид
Z = Z 0
A + RkA А -RkA'
где 20 - акустическое сопротивление иммерсионной среды (вода), Як - амплитудный коэффициент отражения ультразвука от образцовой среды (известен априорно), Ак и А - амплитуды отраженных сигналов от образцового и исследуемого материалов соответственно.
Погрешность опытных значений 2, как и для двух других характеристик АКМ, зависела от измеренного значения сопротивления и для всех опытных результатов заключалась в пределах от 0,6 до 0,9 %.
Полученные результаты и их обсуждение
В табл. 1 приведены результаты измерения а в АКМ с наполнителями Бе - РЬО и А12 03 на частотах 1,0; 1,5; 2,5 и 4,5 МГц при комнатной температуре (20 °С).
Как можно видеть из табл. 1, коэффициент затухания ультразвука в АКМ заметно растет с ростом концентрации наполнителя и с ростом частоты.
Причем для первой зависимости этот рост экспоненциальный, а для второй - близок к линейному. Наглядный вид первой зависимости демонстрируется на рис. 1, где графически представлены концентрационные зависимости затухания ультразвука в исследованных АКМ на частоте 1,0 МГц.
Таблица 1
Коэффициент затухания ультразвука (дБ/мм) в АКМ в зависимости от их состава, концентрации наполнителя и частоты колебаний
Частота, МГц Концентрация наполнителя Fe - W, % по массе
0 10 20 30 40 50 60 70
1,0 0,185 0,207 0,256 0,307 0,383 0,506 0,726 0,916
1,5 0,262 0,277 0,288 0,379 0,508 0,652 0,842 1,18
2,5 0,555 0,610 0,642 0,783 0,986 1,17 1,51 2,18
4,5 0,809 1,05 1,33 1,50 2,16 2,58 3,32 4,20
Частота, МГц Концентрация наполнителя РЬО, % по массе
0 10 20 30 40 50 60 70
1,0 0,185 0,246 0,302 0,388 0,498 0,547 0,758 1,02
1,5 0,262 0,306 0,355 0,472 0,645 0,908 1,16 1,52
2,5 0,555 0,632 0,768 0,966 1,33 1,62 2,03 2,72
4,5 0,809 1,10 1,52 1.96 2,46 3,08 3,75 4,61
Частота, МГц Концентрация наполнителя А1203, % по массе
0 10 20 30 40 50
1,0 0,185 0,305 0,502 0,784 1,06 1,42
1,5 0,262 0,506 0,884 1,32 1,76 2,36
2,5 0,555 0,804 1,14 1,60 2,18 3,16
4,5 0,809 1,22 1,88 3,06 6,47 -
Представляет интерес провести сравнение наших экспериментальных результатов с литературными данными. Сведений об АКМ с наполнителем А120з в литературе не обнаружено, имеются сведения о наполнителях РЬ0, Ш, РЬ304 , 8Ю2 и некоторых других. Что касается связующего, то наряду с компаундом ЭДП встречаются сведения о компаундах ЭД-5, ЭД-6. Тем не менее данных по идентичным с нашими составам АКМ нам не встретилось, поэтому указанное сравнение будет приближенным.
а, дБ/мм.
1,5 -•
1,0
0,5 -
0
10 20 30 40 50 60 70 В, %
Рис. 1. Зависимость затухания ультразвука в АКМ (дБ/мм) при частоте 1,0 МГц от концентрации В наполнителя (% по массе): 1 - (Ее - Ш); 2 - РЬ0; 3 - А1203
По данным литературы [1], где представлены сведения о всех исследованных нами характеристиках
АКМ на частотах 1,2; 1,75; 2,5 и 4,0 МГц, величина коэффициента затухания ультразвука в АКМ состава ЭД-5 - РЬО на частоте 2,5 МГц и при массовой концентрации наполнителя 30 % составляет 0,92 дБ/мм, у нас - 0,966 дБ/мм; для той же частоты, но при концентрации 50 % - 1,48 и 1,62 дБ/мм соответственно, без наполнителя - 0,76 и 0,555 дБ/мм соответственно. Таким образом, экспериментальные и литературные значения а вполне сопоставимы (с учетом, вдобавок, различия связующих).
Измерения скорости ультразвука в образцах АКМ проводились на единственной частоте 2,5 МГц при комнатной температуре 20 °С. Выбор единственной частоты диктуется известным теоретическим положением об отсутствии дисперсии скорости в веществах, где в рассматриваемом частотном диапазоне не присутствуют пики поглощения колебаний. В наших опытах это выполнялось.
Результаты измерения скорости ультразвука в исследованных АКМ в зависимости от их состава и концентрации наполнителей представлены в табл. 2.
Для наглядности концентрационные зависимости скорости показаны в графическом виде на рис. 2.
Как можно видеть из табл. 2 и рис. 2, для наполнителей Бе - Ш и РЬО ьскорость ультразвука линейно уменьшается с концентрацией последних, причем эти зависимости для обоих наполнителей совпадают. Для наполнителя А1203 концентрационная зависимость скорости имеет аномальный вид: мало отличаясь от двух других при невысоких концентрациях (0 - 20 %),
скорость далее начинает расти, достигает максимума и в дальнейшем падает.
2, МПа-с/м С, км/с
5-
2 —
1 —
10
20 - 1
30
40 50 - - 2 ■
60 70 В, % -к--3
Рис. 2. Зависимость скорости ультразвука С (км/с) и акустического сопротивления 2 (МПа-с/м) в АКМ от концентрации В наполнителя (% по массе): 1 - (Бе - Ш); 2 - РЬО; 3 - А1203
Таблица 2
Скорость ультразвука (км/с) в АКМ в зависимости от их состава и концентрации наполнителей
Концентрация наполнителя Fe - W, % по массе
0 10 20 30 40 50 60 70
2,71 2,61 2,37 2,27 2,08 2,06 1,92 1,72
Концентрация наполнителя PbO, % по массе
0 10 20 30 40 50 60 70
2,71 2,56 2,47 2,32 2,15 2,05 1,96 1,86
Концентрация наполнителя Al2O3, % по массе
0 10 20 30 40 50
2,71 2,51 2,49 2,70 2,74 2,55
частоте 4,5 МГц по той же причине, что и ранее указывалась для скорости ультразвука. Эти зависимости для температуры 20 °С приведены в табл. 3.
Таблица 3
Акустическое сопротивление (МПа-с/м) образцов АКМ в зависимости от их состава и концентрации наполнителя
Концентрация наполнителя Fe - W, % по массе
0 10 20 30 40 50 60 70
3,05 3,24 3,60 3,86 4,27 4,57 4,84 5,23
Концентрация наполнителя PbO, % по массе
0 10 20 30 40 50 60 70
3,05 3,19 3,32 3,48 3,72 3,95 4,37 4,97
Концентрация наполнителя Al2O3, % по массе
0 10 20 30 40 50
3,05 3,20 3,33 3,48 3,71 3,32
Сравнение с литературными данными [1] приводит к следующим заключениям. Для состава АКМ ЭДП - Ш концентрационная зависимость скорости практически неотличима от полученной нами для состава ЭДП - (Бе-Ш).
Для составов АКМ ЭД-5 с наполнителями Ш и РЬ0 концентрационные зависимости скорости совпадают, отличаясь от полученной нами примерно на 0,3 км/с в меньшую сторону. Очевидное объяснение этому - меньшая (по литературным данным) скорость ультразвука в чистом компаунде ЭД-5 в сравнении с ЭДП.
Концентрационные зависимости акустического сопротивления АКМ исследовались на единственной
Графически эти концентрационные зависимости показаны на рис. 2. Как можно видеть из табл. 3 и рис. 2, с ростом концентрации наполнителя акустическое сопротивление АКМ растет. Этот рост для разных наполнителей различен: для Бе - Ш он близок к линейному, для РЬ0 - экспоненциальный и для А1203 -рост имеет сложный характер с переходом через максимум. Сравнение с литературными данными [1] приводит к заключениям, что для состава АКМ ЭД-6 -РЬ0 концентрационная зависимость 2 практически совпадает с полученной нами для состава ЭДП - РЬО. Для состава ЭД-5 - РЬ0 литературные данные для 2 имеют меньшие значения (за счет меньшего значения 2 у связующего) при сохранении общего характера концентрационной зависимости. Для состава ЭДП -Ш литературные данные по 2 примерно совпадают с нашими для концентраций 0 - 30 %, для больших концентраций литературные данные выше, видимо, за счет более высокого 2 у Ш в сравнении с нашим Бе - Ш.
Из всех изученных нами характеристик АКМ наибольшее значение с точки зрения цели проведенного исследования имеет акустическое сопротивление. Поэтому к точности этих результатов предъявлялись самые высокие требования и, вдобавок, было задано оценить температурные зависимости этих величин. Прежде чем привести последние, необходимо обратить внимание на одно важное отличие способов измерения 2 в наших исследованиях и в данных литературы. Традиционно для расчета 2 используется теоретическое положение, что акустическое сопротивление (характеристический импеданс) представляет собой произведение плотности среды на скорость распространения в ней ультразвука [1].
В наших исследованиях измерение 2 производилось автономно - по теоретическому определению этой величины как поверхностного импеданса на наружной границе среды [3]. Такой подход имеет явное преимущество в практическом плане, когда ставится задача согласования сопротивлений граничащих сред. Ибо коэффициент отражения волн на промежуточной
4
3
0
границе сред определяется исключительно соотношением приграничных (поверхностных) импедансов, которые могут отличаться по величине от внутриобъ-емных импедансов. Особенно это справедливо для изготовления АКМ по вышеописанной методике, когда в процессе их отверждения заметно выражены процессы осаждения тяжелых дисперсных частиц. По-видимому, этот механизм также ответственен за получаемый в экспериментах разброс результатов (наряду с невозможностью строго равномерно перемешать компоненты АКМ), в том числе - за обнаруженную неравномерность распределения 2 по площади поперечного сечения опытных образцов. В наших экспериментах вариации 2 для разных однородных образцов доходили до 20 %, а в пределах площади сечения достигали 6 - 13 %. Этот факт имеет важное значение для решения вопроса акустического согласования при конструировании излучателей литотриптеров. Для сравнения можно привести наши опытные данные по вариациям 2 в листовом оргстекле отечественного производства, которые не превышают 1 %.
Влияние роста температуры на 2 приводит к уменьшению этой величины (см. табл. 4).
Таблица 4
Температурные коэффициенты акустического сопротивления АКМ (10-3 МПа-с/м-град) в образцах композитов
Связующее Наполнитель
ЭДП Fe - W PbO Al2 O3
- 4,94 - 3,90 - 9,47 - 4,34
Такое влияние обусловлено отрицательным температурным коэффициентом скорости ультразвука в пластмассах, который, по литературным данным, лежит в пределах от - 1,7 до - 10 м/с-град [4]. По нашим опытным данным, он составляет для ЭДП величину - 1,90 м/с-град. Температурный коэффициент плотности пластмасс также, очевидно, отрицательный, что и приводит к представленным в табл. 4 экспериментальным результатам. Однако для условного
диапазона предполагаемых рабочих температур 10 -30 °С влияние вариаций температуры на акустические сопротивления АКМ и, следовательно, на внутреннее согласование в излучателях, очевидно, несущественно. Оно не превысит 0,1 МПа-с/м-град (т.е. 0,2 - 0,3 %), что намного меньше, чем разброс 2 по поперечному сечению образцов АКМ.
Выводы
1. Акустический композиционный материал на основе эпоксидного компаунда ЭДП с наполнителем оксидом алюминия (глинозем) является весьма перспективным для использования в конструкциях ультразвуковых излучателей, работающих в диапазоне единиц МГц. В сравнении с традиционными материалами излучателей он обладает заметно повышенным затуханием ультразвука и слабой зависимостью скорости ультразвука и акустического сопротивления от концентрации наполнителя.
2. Существующая технология изготовления акустических композиционных материалов с эпоксидной матрицей для ультразвуковых излучателей не обеспечивает достаточно воспроизводимых значений их акустических характеристик по сравнению с промыш-ленно выпускаемыми стеклами, пластмассами и металлопрокатом.
3. Незначительные изменения рабочей температуры в пределах 10 - 30 °С не могут существенно влиять на технические характеристики ультразвуковых излучателей в аспекте акустического рассогласования элементов их конструкций.
Литература
1. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И.Н. Ермолова. М., 1986.
2. Неразрушающий контроль: В 5 кн. Кн. 2: Акустические методы контроля: Практ. пособие / Под ред. В.В. Сухо-рукова. М.,1991.
3. Козлов В.В. Поверка средств неразрушающего контроля. М., 1989. С. 134-137.
4. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы. М., Л., 1965. С. 36-39.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт) 14 ноября 2007 г.
