一种用于超声干耦合检测的固态耦合介质的制备方法与流程

本发明涉及超声干耦合检测领域，具体涉及一种用于超声干耦合检测的固态耦合介质的制备方法。

背景技术

作为无损检测技术的重要方法之一，超声波检测技术具有检测精度高、操作方便、检测成本低的优点。在使用超声波换能器对被检物进行检测时，为使换能器发出的超声波波束充分进入被检物内，需在被检物表面涂抹耦合介质，一般使用液体耦合介质，包括水、全损耗系统油、硅油等。然而在某些场合，液体耦合介质存在使被检物表面污染、损害的缺点，为克服上述缺点，采用固态耦合介质取代液体耦合介质，使超声波通过固态耦合介质直接进入被检物内，实现超声干耦合检测。

超声干耦合检测采用的结构多为轮式的探头，它由超声波探头、液体耦合层、轮皮耦合层组成，探头发出的超声波依次经过液体耦合层、轮皮耦合层进入被检物内。轮式探头中，要实现超声波依次通过液体层、轮皮层进入被检物内，需保证各耦合层之间良好的声阻抗匹配。液体耦合层与轮皮耦合层的声阻抗匹配要求液体耦合剂完全充满探头与轮皮耦合层之间的空间；轮皮耦合层与被检物间的声阻抗匹配则要求轮皮与被检物充分接触，排出接触空隙间的空气，这是因为空气的声阻抗与被检物严重不匹配。因此，要实现轮皮与被检物良好的声耦合，轮皮需要具有良好的柔韧性能以利于压缩排气。

国内外对超声固态耦合介质做了大量研究。文献：一种新型胶体耦合介质在弹性介质超声无损检测中的应用（宋国荣，应用基础与工程科学学报，2016(5)：1046-1055）研制出一种胶体耦合介质，其检测时效果接近于将探头进行水浸聚焦检测，耦合情况良好。然而，该胶体是一次性使用介质，同时材料过软，强度过低，无法作为轮式探头的轮皮使用。u.s.pat.no.6,343,512b1、文献：novelsolidcontactultrasoniccouplantsbasedonhydrophilicpolymers（s.bourne，ndtnet，2000，5(2)）、文献：investigationofultrasonicpropertiesofhydrophilicpolymersfordry-coupledinspection（bogomilyochev，ndtnet，2006，11(11)）均提及声特性与水较接近的亲水性材料，将其作为超声检测的耦合介质时，与被检物间能实现较好的声阻抗匹配。然而亲水性材料会随着使用时间的延长或环境温度的变化发生脱水，使材料声特性改变而导致阻抗失配，从而降低声耦合的效果。公开号为cn106645408a的中国专利提出了一种基于固体柔性耦合介质的复杂形状构件超声检测方法，该方法采用的是一种柔性的水凝胶材料作为超声检测的固体耦合介质，然而水凝胶表面较湿润，易沾上灰尘等污物，影响声耦合效果。文献：dry-coupledlow-frequencyultrasonicwheelprobes：applicationtoadhesivebondinspection（a.m.robinson,ndt&einternational，2003，36(1)：27-36）提出了一种用于检测粘合板粘接层粘合质量的轮式干耦合探头，采用一种橡胶作为耦合材料，橡胶材料成分稳定，不同于亲水性材料会随时间或环境发生声阻抗失配，也不同于水凝胶，其表面不具有黏性，但是与被检物的接触程度不及前两种材料高，只适用于低频检测（探头频率仅为500khz），对于广泛应用于设备缺陷无损检测的高频超声检测则因信号衰减过大而无法实现。

以上文献，主要从材料声特性对耦合介质的透声性影响出发，研究了适合干耦合的多种固体材料，如胶体、亲水性材料、水凝胶等，在特定环境下能实现干耦合检测，然而影响超声固态耦合效果的因素包括两种：一种是耦合材料自身的声特性，另一种是耦合材料与被检物的接触状态。上述文献中从耦合材料的声阻抗匹配上进行改善实现了特定条件下的超声干耦合，尚未从改善耦合材料的表面状态出发，进而改善耦合材料与被检物的接触状态，以达到提升耦合效果的目的。

根据界面接触理论和声波在界面处的传播理论可得到界面接触状态对超声波传播的影响关系，以下结合图1进行说明：

超声波探头1发出的超声波经过固态耦合介质2垂直入射进入被检物3，固态耦合介质2与被检物3之间未达到理想的完全耦合时，超声波的声反射系数r可由下式求得：

其中z1表示固态耦合介质2的声阻抗，z2表示被检物3的声阻抗。i表示虚数单位，ω表示超声波的角频率，w表示固态耦合介质2与被检物3间的接触压力，将表面粗糙的固态耦合介质2和被检物3之间的接触等效成一光滑表面与一当量粗糙表面的接触，当量粗糙表面、固态耦合介质2表面、被检物3表面的表面粗糙度均方根值分别由σ、σ1、σ2表示。

由（1）式并结合图2可知，在接触压力w一定时，固态耦合介质2与被检物3的声反射系数r随当量表面粗糙度均方根值σ的增大而增大，即表面越粗糙，耦合效果越差。因此为了改善声耦合效果，可以改变σ，由（2）式可知，当量表面粗糙度与固态耦合介质2和被检物3的表面粗糙度有关，由于被检物的表面粗糙度是无法控制的，故只要控制固态耦合介质的表面粗糙度，进而对接触状态进行控制，就能提升界面的声耦合效果。

技术实现要素：

为提高超声干耦合固态耦合介质性能，针对现有技术的不足，提出一种超声干耦合检测的固态耦合介质，通过优化调整耦合剂原料组分配比以及模具成型时进行消泡处理，提高了固态耦合介质与被检物声阻抗匹配性能；通过控制模具表面的粗糙度来控制所制备的固态耦合介质表面粗糙度，进而提升了固态耦合介质的声耦合效果。

本发明采用如下技术方案：

一种用于超声干耦合检测的固态耦合介质，本固态耦合介质的原料由无色透明的液态成分1和成分2以及调节油组成；成分1为混有0.002%铂金水的聚甲基乙烯基硅氧烷基础胶，成分2为聚甲基乙烯基氢硅氧烷，调节油为甲基硅油。

该固态耦合介质的制备方法：

步骤一：采用表面处理方法对模具表面进行处理，使其表面粗糙度达到一定要求，以保证成型后的固态耦合介质表面状态达到适用于超声干耦合检测的水平；

步骤二：取一定质量份比例的成分1、成分2及调节油，置于同一反应容器中，充分搅拌，使几种组分混合均匀，得到液态的混合物；

步骤三：将步骤二得到的液态混合物缓慢注入步骤一经过表面处理过的模具中，并将注模后的模具放置于真空机中，在真空环境下对搅拌混合过程产生的气泡进行消泡处理，并经过6~10小时固化成型。

所述步骤一中，对模具表面处理的方式可采用研磨、抛光、表面喷丸处理、喷涂油漆等。作为优选的，在模具的表面上采用研磨和抛光的方式进行表面处理，降低模具表面的粗糙度，使成模后的固态耦合介质表面粗糙度σ值保持在1μm以下。

所述步骤二中，作为优选的，成分1与成分2的混合质量份比例为1:0.5~1:1.5,加入的调节油为成分1与成分2混合后总质量的15~20%。

本发明的有益效果为：本发明制得的固态耦合介质具有质地柔软、表面光滑干燥、不易沾上灰尘的特点，用作高频超声检测固态耦合介质，能获得被检物内部较强的回波信号，有效实现干耦合检测。该固态耦合介质成分较稳定，不会随时间推移发生成分的变化导致超声干耦合性能降低，环境适应性较强。

附图说明

图1为本发明的固态耦合介质超声检测原理图。

图2为不同接触力下声反射系数r与表面粗糙度均方根值σ的变化关系。

图3为轮式固态耦合介质模具正视图。

图4为轮式固态耦合介质模具俯视半剖视图。

图5为实施例制备的固态耦合介质样品与水分别作为耦合介质检测钢板板厚时，钢板厚度与第一次超声a型底面回波幅值的关系。

附图中的标记含义，1-超声波探头，2-固态耦合介质，3-被检物，4-外顶盖，5-内顶盖，6-外筒，7-内筒，8-内底座，9-外底座。

具体实施方式

以下通过具体实施方式进一步描述本发明，但本发明不限于以下实施例。该具体实施方式所涉及的是一种高频超声干耦合检测的轮式固态耦合介质，用作超声波轮式探头的轮皮，其材料为一种硅胶，也称硅胶轮。

该硅胶轮模具由外顶盖4、内顶盖5、外筒6、内筒7、内底座8、外底座9六部分组成,内顶盖5、内筒7、内底座8之间以螺纹联接的方式组合，并与外底座9、外顶盖4以过盈配合的方式联接，外筒6与外顶盖4及外底座9之间以螺纹联接的方式组合，由这六部分组合形成了硅胶轮空腔。外顶盖4上有通孔a与通孔b，它们的作用是：（1）向模具中注入液态硅胶混合物；（2）模具成型过程中，排出液态硅胶混合物中的气泡。

该硅胶轮的制备方法包括以下步骤：

步骤一：对硅胶轮模具进行表面处理，外筒6内壁表面粗糙度直接影响着成模后硅胶轮的表面光滑程度，进而影响超声检测耦合效果。首先将外筒6的内圆柱面置于车床上，配合研磨棒对其进行研磨。随后在研磨后的圆柱表面上均匀打蜡，并置于抛光机上进行抛光处理，经过表面处理后得到光滑的圆柱面，其表面粗糙度均方根值σ为0.418μm。

步骤二：取质量份比例为1:1的原料成分1和成分2，加入15%的调节油，并将它们放置于同一反应容器中，启动反应器，以50r/min的转速搅拌10分钟，使几种组分混合均匀，得到液态的混合物。

步骤三：将从反应器中取出的液态混合物通过外顶盖1上的通孔注入硅胶轮模具中，然后将硅胶轮模具置于真空机中，在真空环境下消去步骤二中搅拌混合时产生的气泡并经过6小时固化成型。

经过以上具体实施方式制得的硅胶轮样品声特性参数如表1所示：

表1硅胶轮样品声特性参数

采用超声检测中的脉冲反射法，将由实施例制得的硅胶轮样品与等厚度的水层分别作为耦合介质，选用频率为2.5mhz，直径为20mm的超声纵波直探头对不同厚度钢板的板厚进行测量，比较使用不同耦合介质时钢板底面第一次回波的超声a型显示的幅值，其结果如图5。从图5的结果中可以看出，水作为液体耦合介质，对钢板进行检测时，具有最好的耦合效果，硅胶样品作为耦合介质时，超声a型显示的回波幅值比水低10db左右，即其衰减较水作为耦合介质时多10db左右，该衰减可以通过调整超声探伤仪的增益进行补偿，其增益值远小于普通超声波探伤仪的增益值可调上限，因此，由本发明制备的硅胶样品适用于作为高频的超声波检测的耦合介质。