Материал для протектора пьезоэлектрического преобразователя

 

Использование: для изготовления протекторов пьезоэлектрических преобразователей, предназначенных для контроля жидких сред частотно-временными ультразвуковыми расходомерами. Цель изобретения - повышение стойкости к термическим ударам, повышение чувствительности и технологичности состава. Материал содержит эпоксидную смолу в качестве связующего, триэтаноламин в качестве отвердителя, пластификатор и тонкодисперсный порошок вольфрама в качестве наполнителя при следующем соотношении компонентов, вес. ч: эпоксидная смола 99 - 101, порошок вольфрама 68 - 70, пластификатор МГФ-9 3 - 4, триэтаноламин 16 - 20.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для изготовления протекторов пьезоэлектрических преобразователей, предназначенных для контpоля жидких сред частотно-временными ультразвуковыми расходомерами.

Известен материал протектора пьезоэлектрического преобразователя, содержащий в качестве связующего эпоксидную смолу, в качестве отвердителя - низкомолекулярную полиамидную смолу, в качестве наполнителя -порошок феррита бария [1].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является (мас. % ) эпоксидная смола ЭД-5-10 [2]. Двуокись титана 30 Полиэфир МГФ-9 2 Полиэтиленполиамин 1,3 Однако известный материал имеет недостаточную стойкость к динамическим воздействиям и особенно к перепадам температур, так как термический коэффициент линейного расширения материала протектора и пьезокерамической пластины значительно различаются. Другой недостаток - трудность в гомогенизировании материала при его приготовлении (большое количество наполнителя по сравнению со связующим). При введении отвердителя в замес и перемешивании массы захватывается воздух, который затем трудно удалить из композиции (время жизнеспособности состава очень ограничено). Пузырьки воздуха, оставшиеся в материале, рассеивают полезную энергию, что приводит к потере чувствительности преобразователя при использовании известного материала в качестве протектора.

Цель изобретения - повышение стойкости к термическим ударам за счет снижения термических напряжений, повышение чувствительности за счет гомогенизации и деаэрации материала, повышение технологичности состава.

Поставленная цель достигается тем, что материал для пьезоэлектрических преобразователей, включающий эпоксидную смолу в качестве связующего, наполнитель, пластификатор и отвердитель, содержит в качестве отвердителя триэтаноламин и в качестве наполнителя тонкодисперсный вольфрамовый порошок при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Эпоксидная смола 99-101 Порошок вольфрама 68-70 Пластификатор МГФ-9 3-4 Триэтаноламин 16-20.

П р и м е р. Производят порцировку компонентов массы состава в весовых частях, например, 100 г эпоксидной смолы ЭД-20 помещают в емкость, подогревают до температуры 50-60^оС и вводят наполнитель-порошок вольфрама в количестве 69 г. Смесь тщательно перемешивают. Далее смесь помещают в термошкаф и прокаливают при температуре 120-130^оС в течение часа. Затем смесь охлаждают до температуры 50-60^оС и вводят 18 г триэтаноламина и 4 г пластификатора МГФ-9. Полученную смесь перемешивают до получения однородной массы. Приготовленная масса заливается на поверхность пьезокерамического элемента преобразователя (преобразователь следует так же прогреть до температуры 50-60^оС). Режим отверждения должен быть выполнен в течение 8-10 ч при температуре 65-70^оС. После полимеризации преобразователь помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 75-80^о в течение 1-1,5 ч (процесс нормализации клеевой системы). После отверждения протектор обрабатывают до требуемой толщины. Благодаря перемешиванию смеси при повышенной температуре масса хорошо гомогенизируется, а длительное время отверждения при повышенной температуре способствует полному удалению пузырьков воздуха из нанесенного слоя (масса обладает хорошей текучестью). Таким образом благодаря гомогенной структуре протектора и полной деаэрации материала (проверялось по шлифу продольного среза протектора) повысилась чувствительность преобразователя в 1,5 раза (из-за исключения микропузырьков воздуха, на которых рассеивается полезная упругая энергия). Содержание тонкодисперсного порошка вольфрама в качестве наполнителя в выбранных пределах при сохранении весовых соотношений остальных компонентов позволяет получить материал с равномерно распределенными в нем взвесями тяжелых частиц вольфрамового порошка с термическим коэффициентом линейного расширения, равным 4,510⁶ град^-1, который контактирует с пьезокерамикой с термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), равным (4,5-7,5)10⁶, град^-1.

Приближение термических коэффициентов линейного расширения материала протектора и пьезокерамики преобразователя значительно снижает внутренние термические напряжения материала протектора при перепадах температур и тем самым повышает стойкость протектора к циклическим перепадам температур.

При содержании порошка вольфрама ниже указанного предела, менее 65 мас. ч., повышается ТКЛР материала протектора, что приводит к снижению стойкости материала протектора к перепадам температур. При содержании порошка вольфрама выше указанных пределов, более 70 мас.ч., повышаются напряжения между частицами наполнителя и объемом смолы, что приводит к снижению стойкости материала к тепловым ударам. При содержании пластификатора выше 4 мас.ч. снижается влагостойкость материала протектора. При содержании ниже 3 маc.ч. пластификатора МГФ-9 растут внутренние напряжения материала протектора (протектор становится хрупким). Содержание отвердителя триэтаноламина менее 15 мас.ч. приводит к неполному отверждению материала. Содержание отвердителя более 20 мас.ч. вызывает агрессивное воздействие на электроды пьезоэлемента.

Исследования стойкости соединения протектора и пьезокерамики преобразователя и циклическим перепадам температур (выдержка в нагревательной печи в течение 20 мин при +80^оС, а затем охлаждение при температуре -12^оС в течение 20 мин) показали, что предел прочности соединения протектор - пьезокерамический элемент преобразователя оставался постоянным после 50 циклов (контролировалось по падению чувствительности преобразователя в системе излучатель-приемник).

Проверка чувствительности предлагаемого материала протектора производилось следующим образом.

Были изготовлены по две пары преобразователей с протектором известного решения и две пары преобразователей с протектором из предлагаемого материала. Преобразователи помещались в жидкость с водой. Расстояние между преобразователями составляло 300 мм. Протекторы были выполнены четвертьволновой толщины на резонансной частоте преобразователя. Амплитуды импульсных колебаний на выходе системы излучатель-приемник получается в 1,5-1,8 раза больше, чем в случае аналогичных преобразователей с протектором, выполненным из материала прототипа.

Из приведенных данных следует, что благодаря гомогенизации и деаэрации материала протектора повысилась чувствительность материала в более чем 1,5 раза.

Таким образом, предлагаемый материал для протектора пьезопреобразователя позволяет получить хорошие механо-акустические свойства, а именно снижение внутренних напряжений при перепадах температур, повышение долговечности пьезопреобразователя и чувствительности. Материал обладает хорошей технологичностью, так как длительное время масса сохраняет высокую текучесть, благодаря чему обеспечиваются надежный молекулярный контакт с поверхностью пьезокерамики, хорошая текучесть материала позволяет в достаточной мере обеспечить упаковку частичек наполнителя, а также выход газовых включений за время отверждения без вакуумирования.

Формула изобретения

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПРОТЕКТОРА ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ, включающий эпоксидную смолу в качестве связующего, наполнитель, пластификатор и отвердитель, отличающийся тем, что он содержит в качестве отвердителя-триэтаноламин и в качестве наполнителя - тонкодисперсный порошок вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Эпоксидная смола 99 - 101 Порошок вольфрама 68 - 70 Пластификатор МГФ-9 3 - 4 Триэтаноламин 16 - 20