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CN108641286B - 一种耐压轻质背衬材料及制造方法 - Google Patents

一种耐压轻质背衬材料及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐压轻质背衬材料及制备方法，所述背衬材料包括以下质量份数的各组分：环氧树脂80‑100份、增塑剂8‑15份、固化剂5‑10份、稀释剂5‑10份、空心玻璃微珠10‑30份、陶瓷粉80‑100份、氧化铝粉80‑100份、硅烷偶联剂3‑8份。通过合理搭配不同属性的填料和固化剂，提高材料的耐压、耐水、隔声去耦和增大带宽的特性。所得背衬材料可应用于各类高频水声换能器中。

Description

一种耐压轻质背衬材料及制造方法
技术领域
本发明涉及一种适用于高频换能器的耐压轻质背衬材料及制造方法。
背景技术
海洋是资源和能源的宝库，尤其在深海领域，蕴藏着丰富的各种金属矿产资源、石油、天然气、可燃冰以及深海生物基因资源等。目前，深海勘探、开发主要以深潜技术为基础，利用各类潜器和水下机器人等深海进行观察、测量和取样。高频声纳换能器基阵是各类潜器、水下机器人等深潜装备的主要观测工具，而耐压背衬材料又是高频声纳换能器基阵的关键材料，对高频声纳换能器的耐压极限起决定性作用。
背衬材料主要有两大类，一类是高密度的金属为主的材料，耐压强度高，但重量大、成本高，加工不方便。另一类是低密度的发泡材料，主要由聚氨酯泡沫、环氧泡沫或其它发泡塑料，虽然成本低，但是耐压强度低、吸水率高、使用可靠性低。近些年出现了高强度的固体浮力材料，以环氧树脂为粘接剂、大量填充空心玻璃微珠及添加剂复合而成的轻质浮力材料，在高静压使用条件下可取代普通发泡材料。这类高强度的固体浮力材料都为型材，通过机械加工后才可使用，不适用于复杂换能器形状条件下的应用。此外高强度的固体浮力材料密度过低，限制了换能器带宽，对固体浮力材料改性成为适用于高频换能器的背衬材料。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种耐压轻质背衬材料及制备方法，通过合理搭配不同属性的填料和固化剂，提高材料的耐压、耐水、隔声去耦和增大带宽的特性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种耐压轻质背衬材料，包括以下质量份数的各组分：
Figure BDA0001624273440000011
Figure BDA0001624273440000021
优选地，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯与二甘醇的混合物。其作用是增强环氧树脂的韧性和抗冲击性。
更优选地，所述邻苯二甲酸二丁酯与二甘醇的混合比例为8:5。
优选地，所述固化剂为甲基咪唑，可以是液态的咪唑溶液，也可以是固态的。固态咪唑使用前需加热融化；
所述的硅烷偶联剂为KH560。
优选地，所述稀释剂为环氧丙烷丁基醚、环氧丙烷苯基醚、三环氧丙烷丙基醚的至少一种。
优选地，所述空心玻璃微珠的粒径为20μm-300μm，可降低材料密度、增强背衬材料的隔声作用。
优选地，所述陶瓷粉为压电陶瓷粉末，密度2.5g/cm3到4.0g/cm3,粒径50μm-500μm。
优选地，所述氧化铝粉的粒径50μm-500μm，可增强材料对声波的吸收。
本发明还提供了一种耐压轻质背衬材料的制备方法，包括以下步骤：
将环氧树脂、增塑剂分别预热半小时后，再与稀释剂、空心玻璃微珠、陶瓷粉、氧化铝粉和硅烷偶联剂混合并充分搅拌5-10min，然后将所得混合物1和固化剂混合进行真空搅拌，所得混合物2置于模具中真空加热固化制成耐压背衬材料。
优选地，所述预热的温度为60-80℃；所述真空搅拌采用的转速为500r/min-1000r/min，搅拌时间为10-20min。
优选地，所述加热固化步骤中，先在温度为40℃-50℃条件下恒温24小时，然后温度调至70℃-80℃恒温4小时。
本发明制备的耐压轻质背衬材料主要应用于各类高频水声换能器中。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所述的耐压轻质背衬材料，以环氧树脂为基材，并向其中添加了增塑剂，增强了环氧树脂的韧性和抗冲击性，增加稀释剂提高混合物的流动性、减少背衬材料的气泡，增加空心玻璃微珠、陶瓷粉、氧化铝粉以提高背衬材料的隔声去耦效果，增加硅烷偶联剂以提高材料的粘接强度，提高背衬材料的耐压能力。所述制造方法中，固化首先采用40℃条件下恒温24小时固化可有效降低材料固化时产生的气泡，降低材料的收缩性，减少大面积材料的开裂情况，进一步80℃条件下可使得环氧树脂得到有效完全固化，提高材料的耐压强度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
首先将环氧树脂、增塑剂、固化剂分别放入60℃烘箱中预热半小时以上待用。然后将预热后的的环氧树脂100份、增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯与二甘醇的混合物，混合比例为8:5)10份、稀释剂(环氧丙烷丁基醚)5份、空心玻璃微珠(粒径为20μm)10份、陶瓷粉(压电陶瓷粉末，密度2.5g/cm3,粒径50μm)100份、氧化铝粉(粒径100μm)100份和硅烷偶联剂(KH560)5份置于容器中充分搅拌10min。将加热后的甲基咪唑10份加入混合物中，并置于真空搅拌机均匀搅拌15min(转速为800r/min)。将搅拌充分的混合物导入换能器压电陶瓷与壳体之间的空隙部分或相应模具中，一并放入真空烘箱中抽真空消除混合物中的气泡。再放入40℃鼓风烘箱中恒温24小时，然后温度调至80℃恒温4小时后关闭烘箱加热功能，待自然冷却到常温后取出。得到的材料密度1.1g/cm3，耐压强度54MPa，吸水率0.11％。制得的材料无开裂情况，隔声去耦效果良好。
实施例2
首先将环氧树脂、增塑剂、固化剂分别放入80℃烘箱中预热半小时以上待用。然后将预热后的的环氧树脂100份、增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯与二甘醇的混合物，混合比例为8:5)10份、稀释剂(环氧丙烷苯基醚)10份、空心玻璃微珠(粒径为300μm)20份、陶瓷粉(压电陶瓷粉末，密度4.0g/cm3,粒径200μm)80份、氧化铝粉(粒径500μm)80份和硅烷偶联剂(KH560)8份置于容器中充分搅拌10min。将加热后的甲基咪唑10份加入混合物中，并置于真空搅拌机均匀搅拌10min(转速为1000r/min)。将搅拌充分的混合物导入换能器压电陶瓷与壳体之间的空隙部分或相应模具中，一并放入真空烘箱中抽真空消除混合物中的气泡。再放入45℃鼓风烘箱中恒温24小时，然后温度调至75℃恒温4小时后关闭烘箱加热功能，待自然冷却到常温后取出。得到的材料密度0.9g/cm3，耐压强度47MPa，吸水率0.18％。制得的材料无开裂情况，隔声去耦效果优异。
实施例3
首先将环氧树脂、增塑剂、固化剂分别放入60℃烘箱中预热半小时以上待用。然后将预热后的的环氧树脂80份、增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯与二甘醇的混合物，混合比例为8:5)15份、稀释剂(三环氧丙烷丙基醚)8份、空心玻璃微珠(粒径为100μm)30份、陶瓷粉(压电陶瓷粉末，密度3g/cm3,粒径500μm)90份、氧化铝粉(粒径50μm)90份和硅烷偶联剂(KH560)3份置于容器中充分搅拌8min。将加热后的甲基咪唑5份加入混合物中，并置于真空搅拌机均匀搅拌15min(转速为500r/min)。将搅拌充分的混合物导入换能器压电陶瓷与壳体之间的空隙部分或相应模具中，一并放入真空烘箱中抽真空消除混合物中的气泡。再放入50℃鼓风烘箱中恒温24小时，然后温度调至70℃恒温4小时后关闭烘箱加热功能，待自然冷却到常温后取出。得到的材料密度0.85g/cm3，耐压强度41MPa，吸水率0.25％。制得的材料无开裂情况，隔声去耦效果优异。
实施例4
首先将环氧树脂、增塑剂、固化剂分别放入70℃烘箱中预热半小时以上待用。然后将预热后的的环氧树脂90份、增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯与二甘醇的混合物，混合比例为8:5)8份、稀释剂(三环氧丙烷丙基醚)8份、空心玻璃微珠(粒径为100μm)20份、陶瓷粉(压电陶瓷粉末，密度3g/cm3,粒径300μm)90份、氧化铝粉(粒径250μm)90份和硅烷偶联剂(KH560)8份置于容器中充分搅拌5min。将加热后的甲基咪唑8份加入混合物中，并置于真空搅拌机均匀搅拌20min(转速为500r/min)。将搅拌充分的混合物导入换能器压电陶瓷与壳体之间的空隙部分或相应模具中，一并放入真空烘箱中抽真空消除混合物中的气泡。再放入40℃鼓风烘箱中恒温24小时，然后温度调至80℃恒温4小时后关闭烘箱加热功能，待自然冷却到常温后取出。得到的材料密度1.1g/cm3，耐压强度44MPa，吸水率0.11％。制得的材料无开裂情况，隔声去耦效果优异。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中不添加陶瓷粉。得到的材料密度0.82g/cm3，耐压强度56MPa，吸水率0.1％。制得的材料无开裂情况，隔声去耦效果一般。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中不添加氧化铝粉。得到的材料密度0.95g/cm3，耐压强度58MPa，吸水率0.1％。制得的材料无开裂情况，隔声去耦效果一般。
对比例3
本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。得到的材料密度1.1g/cm3，耐压强度45MPa，吸水率0.1％。制得的材料无开裂情况，隔声去耦效果良好。
对比例4
本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中所述固化剂为2-乙基-4-甲基咪唑。得到的材料密度1.1g/cm3，耐压强度15MPa，吸水率0.2％。制得的材料轻微开裂况，隔声去耦效果良好。
对比例5
本对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中所述加热固化步骤中，先在温度为60℃条件下恒温24小时，然后温度调至80℃恒温4小时。得到的材料密度1.1g/cm3，耐压强度60MPa，吸水率0.1％。制得的材料有开裂，隔声去耦效果良好。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种耐压轻质背衬材料，其特征在于，包括以下质量份数的各组分：
Figure FDA0002460217190000011
所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯与二甘醇的混合物；
所述固化剂为甲基咪唑。
2.根据权利要求1所述的耐压轻质背衬材料，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为KH560。
3.根据权利要求1所述的耐压轻质背衬材料，其特征在于，所述稀释剂为环氧丙烷丁基醚、环氧丙烷苯基醚、三环氧丙烷丙基醚的至少一种。
4.根据权利要求1所述的耐压轻质背衬材料，其特征在于，所述空心玻璃微珠的粒径为20μm-300μm。
5.根据权利要求1所述的耐压轻质背衬材料，其特征在于，所述陶瓷粉为压电陶瓷粉末，密度2.5g/cm3到4.0g/cm3,粒径50μm-500μm。
6.根据权利要求1所述的耐压轻质背衬材料，其特征在于，所述氧化铝粉的粒径50μm-500μm。
7.一种根据权利要求1所述的耐压轻质背衬材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将环氧树脂、增塑剂分别预热半小时后，再与稀释剂、空心玻璃微珠、陶瓷粉、氧化铝粉和硅烷偶联剂混合并充分搅拌，然后将所得混合物1和固化剂混合进行真空搅拌，所得混合物2置于模具中真空加热固化制成耐压背衬材料。
8.根据权利要求7所述的耐压轻质背衬材料的制备 方法，其特征在于，所述预热的温度为60-80℃；所述真空搅拌采用的转速为500r/min-1000r/min，搅拌时间为10-20min。
9.根据权利要求7所述的耐压轻质背衬材料的制备 方法，其特征在于，所述加热固化步骤中，先在温度为40℃-50℃条件下恒温24小时，然后温度调至70℃-80℃恒温4小时。
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