一种超声波透声复合材料的研究
发布时间：2021-02-02 05:44
本文研究了一种超声波透声复合材料,以环氧树脂作为胶粘材料,添加声阻抗较小的金属粉末提高超声波的透声性能,添加液体橡胶CTBN增韧改性,添加硫醇类固化及脂肪胺促进剂缩短固化时间,研究出一种具有良好胶粘性、良好韧性、固化时间短、超声波透过性强的功能性复合材料。为整治钢轨病害遗留轨缝造成超声波断轨实时监测系统传输通道被截断,无法发挥监测功能的问题提供了解决思路。
【文章来源】：功能材料. 2020,51(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
采用鱼尾板夹接钢轨及轨缝示意图
固体介质中超声引导的波被称为超声波[7],纯的环氧树脂固化物虽然具备一定的透声能力,但超声波的透过性仍很不理想。2007年,R.Zhang与南加州大学的K.K.Shung和Q.F.Zhou等合作,在高频透声材料的研究方面做了探索性的工作,以小于50 nm氧化铝粉末颗粒纳米材料为主要成分,成功地研制出了高频医用超声换能器匹配复合材料[8]。根据超声波的透声特性,声阻抗是一项重要指标,声阻抗代表透声介质对声波的阻碍作用[9],声阻抗越小,透声传播越好,金属类较小的声阻抗值有助于超声波的透过。2014年,哈尔滨工业大学的牛今丹在研究超声换能器声匹配涉及方法中研究表明,氧化铝粉末颗粒粒径的大小对声速、声阻抗的影响很小,但不同的金属粉末由于声阻抗的不同对透声性能有影响[10]。较常见的金属Al的声阻抗为1.69×106 kg/(m2·s),Cu的声阻抗为4.18×106 kg/(m2·s),Fe的声阻抗为4.50×106 kg/(m2·s),将环氧树脂基体中添加上述三种金属粉末作为透声改良的主要研究方向。我们通过向环氧树脂当中添加10 μm金属粉末Al、Fe、Cu进行对比试验,通过超声波换能器将超声波转换为电信号进行对比,研究其透声性,得到如图2所示的信号强度和金属粉末比例的关系。从图2可以看出,加入金属粉末明显地提高了环氧树脂的超声波透过性能,但随着金属粉末的增加,金属粉末引起团聚现象,从而在其表面产生超声波反射面,金属粉末含量为20%时,是趋势反转的拐点。从结果来看,在添加3种金属粉末对环氧树脂进行改性的实验结果中,添加20%Al粉的改性效果最好,因此,将铝粉作为增加透声性能的主要原料。但加入金属粉末的环氧树脂均产生发泡化学反应,固化后的材料显示出极大的脆性,需要进行增韧改性[11]。
钢轨病害修复大多在野外作业,且断轨修复时间最多不超过50 min,因此,环氧树脂的固化时间越短越好,固化温度越低越好。目前,关于低温(低于10 ℃)固化环氧树脂的研究主要集中在多元胺类、硫醇类[15-19],也有报道采用二氨基二苯砜、三氟化硼低温固化的研究,但由于二氨基二苯砜、三氟化硼的固化时间可在百秒内完成[20],其可操作性及工艺过程不可行。低温固化剂关键在于固化剂、促进剂的选择和改性,保证体系贮存期及其他各项性能的前提下改善其使用工艺性,并将固化温度降低[21]。因此,我们用多元胺类、硫醇类固化剂在常温下进行了固化时间的实验。环氧树脂添加不同含量的胺类固化剂(二乙烯三胺DTA)的凝固时间曲线见图4,环氧树脂添加不同含量的硫醇类固化剂(QE-340M)的凝固时间曲线见图5。图5 硫醇类固化剂用量对固化时间的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温固化环氧树脂灌浆材料的性能研究[J]. 曾娟娟,杨元龙,马哲. 新型建筑材料. 2017(10)
[2]环氧固化剂及其应用与发展[J]. 钟辉,黄红军,王晓梅,万红敬,任水云. 装备环境工程. 2016(04)
[3]环氧树脂体系功能化研究进展[J]. 阮峥,刘朝辉,邓智平,成声月,叶圣天. 装备环境工程. 2015(01)
[4]低温快速固化环氧树脂灌浆材料的制备及性能研究[J]. 马哲,徐宇亮,杨元龙,薛炜,庞浩. 新型建筑材料. 2014(12)
[5]二氨基二苯砜固化环氧树脂的促进剂研究[J]. 唐卿珂,梁国正,易强,肖升高,黄琴琴. 印制电路信息. 2014(08)
[6]环氧树脂结构胶低温固化技术及展望[J]. 刘攀,何明胜. 低温建筑技术. 2014(03)
[7]环氧树脂增韧技术及其研究进展[J]. 秦旭锋,蔡建,尹亚阁,卓毅,邓光明,邢东桧. 包装工程. 2013(07)
[8]环氧树脂低温快速固化剂的合成及性能研究[J]. 聂锡铭,安运成,王兆增,崔英,常燕. 工程塑料应用. 2011(08)
[9]端羧基丁腈橡胶改性环氧树脂的研究[J]. 陈青,宫大军,魏伯荣,柳丛辉. 绝缘材料. 2011(02)
[10]环氧地坪涂料的研究及应用进展[J]. 周盾白,周子鹄,贾德民. 中国涂料. 2007(10)
硕士论文
[1]超声导波实时断轨检测的去噪算法[D]. 周颖.西安理工大学 2016
[2]基于嵌入式系统的电磁钢轨探伤数据处理研究[D]. 邱祉凯.北京交通大学 2014
[3]超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[D]. 牛今丹.哈尔滨工业大学 2014
[4]环氧树脂增韧及其阻尼性能的研究[D]. 武渊博.北京化工大学 2011
本文编号：3014166
【文章来源】：功能材料. 2020,51(01)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
采用鱼尾板夹接钢轨及轨缝示意图
固体介质中超声引导的波被称为超声波[7],纯的环氧树脂固化物虽然具备一定的透声能力,但超声波的透过性仍很不理想。2007年,R.Zhang与南加州大学的K.K.Shung和Q.F.Zhou等合作,在高频透声材料的研究方面做了探索性的工作,以小于50 nm氧化铝粉末颗粒纳米材料为主要成分,成功地研制出了高频医用超声换能器匹配复合材料[8]。根据超声波的透声特性,声阻抗是一项重要指标,声阻抗代表透声介质对声波的阻碍作用[9],声阻抗越小,透声传播越好,金属类较小的声阻抗值有助于超声波的透过。2014年,哈尔滨工业大学的牛今丹在研究超声换能器声匹配涉及方法中研究表明,氧化铝粉末颗粒粒径的大小对声速、声阻抗的影响很小,但不同的金属粉末由于声阻抗的不同对透声性能有影响[10]。较常见的金属Al的声阻抗为1.69×106 kg/(m2·s),Cu的声阻抗为4.18×106 kg/(m2·s),Fe的声阻抗为4.50×106 kg/(m2·s),将环氧树脂基体中添加上述三种金属粉末作为透声改良的主要研究方向。我们通过向环氧树脂当中添加10 μm金属粉末Al、Fe、Cu进行对比试验,通过超声波换能器将超声波转换为电信号进行对比,研究其透声性,得到如图2所示的信号强度和金属粉末比例的关系。从图2可以看出,加入金属粉末明显地提高了环氧树脂的超声波透过性能,但随着金属粉末的增加,金属粉末引起团聚现象,从而在其表面产生超声波反射面,金属粉末含量为20%时,是趋势反转的拐点。从结果来看,在添加3种金属粉末对环氧树脂进行改性的实验结果中,添加20%Al粉的改性效果最好,因此,将铝粉作为增加透声性能的主要原料。但加入金属粉末的环氧树脂均产生发泡化学反应,固化后的材料显示出极大的脆性,需要进行增韧改性[11]。
钢轨病害修复大多在野外作业,且断轨修复时间最多不超过50 min,因此,环氧树脂的固化时间越短越好,固化温度越低越好。目前,关于低温(低于10 ℃)固化环氧树脂的研究主要集中在多元胺类、硫醇类[15-19],也有报道采用二氨基二苯砜、三氟化硼低温固化的研究,但由于二氨基二苯砜、三氟化硼的固化时间可在百秒内完成[20],其可操作性及工艺过程不可行。低温固化剂关键在于固化剂、促进剂的选择和改性,保证体系贮存期及其他各项性能的前提下改善其使用工艺性,并将固化温度降低[21]。因此,我们用多元胺类、硫醇类固化剂在常温下进行了固化时间的实验。环氧树脂添加不同含量的胺类固化剂(二乙烯三胺DTA)的凝固时间曲线见图4,环氧树脂添加不同含量的硫醇类固化剂(QE-340M)的凝固时间曲线见图5。图5 硫醇类固化剂用量对固化时间的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温固化环氧树脂灌浆材料的性能研究[J]. 曾娟娟,杨元龙,马哲. 新型建筑材料. 2017(10)
[2]环氧固化剂及其应用与发展[J]. 钟辉,黄红军,王晓梅,万红敬,任水云. 装备环境工程. 2016(04)
[3]环氧树脂体系功能化研究进展[J]. 阮峥,刘朝辉,邓智平,成声月,叶圣天. 装备环境工程. 2015(01)
[4]低温快速固化环氧树脂灌浆材料的制备及性能研究[J]. 马哲,徐宇亮,杨元龙,薛炜,庞浩. 新型建筑材料. 2014(12)
[5]二氨基二苯砜固化环氧树脂的促进剂研究[J]. 唐卿珂,梁国正,易强,肖升高,黄琴琴. 印制电路信息. 2014(08)
[6]环氧树脂结构胶低温固化技术及展望[J]. 刘攀,何明胜. 低温建筑技术. 2014(03)
[7]环氧树脂增韧技术及其研究进展[J]. 秦旭锋,蔡建,尹亚阁,卓毅,邓光明,邢东桧. 包装工程. 2013(07)
[8]环氧树脂低温快速固化剂的合成及性能研究[J]. 聂锡铭,安运成,王兆增,崔英,常燕. 工程塑料应用. 2011(08)
[9]端羧基丁腈橡胶改性环氧树脂的研究[J]. 陈青,宫大军,魏伯荣,柳丛辉. 绝缘材料. 2011(02)
[10]环氧地坪涂料的研究及应用进展[J]. 周盾白,周子鹄,贾德民. 中国涂料. 2007(10)
硕士论文
[1]超声导波实时断轨检测的去噪算法[D]. 周颖.西安理工大学 2016
[2]基于嵌入式系统的电磁钢轨探伤数据处理研究[D]. 邱祉凯.北京交通大学 2014
[3]超声换能器声匹配层设计方法及其声学特性研究[D]. 牛今丹.哈尔滨工业大学 2014
[4]环氧树脂增韧及其阻尼性能的研究[D]. 武渊博.北京化工大学 2011
本文编号：3014166
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