高温超声探头的制作及性能试验

甘文军，蔡家藩，李 铮，刘 云，尹 鹏，徐 安

(1.中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223；2.华能山东石岛湾核电有限公司， 荣成 264312)

2012年12月，全球首座球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(High Temperature Gas Cooled Reactor Pebble-Bed Module，简称HTR-PM)在山东荣成开工建造。HTR-PM是国家拥有自主知识产权的全球首座具有第四代核能系统安全特性的核电机组，具备模块化建造、安全性高、发电效率高等技术优势，商业化应用前景广阔[1]。

HTR-PM部分受检对象在役超声检测时，检查温度在60 ℃以上。

笔者前期试验研究结果表明：60 ℃以上的高温环境会造成部分常规超声探头失效和性能下降，探头性能随温度的变化又会影响检测定位和定量的准确性[2]。相对于常温环境下的超声检测，高温部件所处的高温环境对超声探头的影响主要有以下几个方面。

(1) 有机玻璃为常用的探头楔块材料，当温度变化时，超声波声速在有机玻璃中的变化速度比在钢中的变化快得多。

(2) 当环境温度超过压电材料的居里温度Tc时，压电材料的压电性能失效。

(3) 不同晶片材料的声学性能随温度变化差异较大，尤其是复合晶片在高温时受胶水玻璃化温度影响会软化，声学性能尤其是灵敏度变化较大。

(4) 常规探头在制作过程中，晶片与楔块、楔块与外壳在组装过程中一般采用胶水黏合，而常规胶水在高温状态会软化，黏合部位易脱落，影响探头的耐用性。

因此，高温超声探头的制作既要考虑压电材料、背衬材料、楔块材料等核心材料的耐温性能，还要考虑所用材料的高温黏结工艺等问题。

超声探头主要通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号发射出去；并将接收的声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。 而超声探头的种类繁多，针对不同的应用需求有不同的结构设计，但大多类型探头具有一个基本的结构，主要包括：匹配透声材料(楔块)、压电发声材料、背衬吸声材料、电路设计等，压电超声探头结构示意如图1所示。

图1 压电超声探头结构示意

基于上述因素，笔者从楔块材料选择、晶片材料选择和组装工艺等方面进行了改进，以期提高探头在高温环境下的适用性，减小温度变化对探头性能的影响，并对制作的探头进行了高温性能测试。

1 高温探头楔块材料选择

不同温度下，楔块材料和工件的弹性模量随温度的升高而降低，导致楔块和工件中声波传播速度降低。

试验选取了几种楔块材料，制作成一定厚度的试件，测试不同温度下楔块材料的声速(见图2)。

图2 几种楔块材料声速随温度的变化曲线

以碳钢为例，碳钢中纵波、横波声速与温度的关系曲线[2]为

VS=-0.416 0T+3 244.0

(1)

VL=- 0.625 6T+5 938.8

(2)

式中：T为温度；VS为横波声速；VL为纵波声速。

探头发射的声波在楔块和检测工件的界面(声学界面)处会发生反射和折射，其折射角大小与入射角以及界面两侧的声速有关，规律遵从Snell定律。

(3)

式中：qi为入射角度；qt为折射角度；ci为入射媒质声速;ct为折射媒质声速。

当楔块形状一定时，楔块和工件中的声速变化不一致，会影响探头的折射角，继而影响缺陷的定位。根据Snell定律，可理论计算出不同楔块材料制作的探头角度与温度变化的关系(见表1)。

表1 理论计算不同楔块材料探头角度与温度变化的关系 (°)

结合图2和表1可以看出，由于碳钢中声速随温度变化较缓，声速随温度变化越缓的楔块材料,探头角度随温度变化越小。而探头角度变化过大会影响缺陷定位，因此选取声速随温度变化缓慢的楔块材料进行高温探头制作是非常有必要的，如聚醚酰亚胺。

图3 复合晶片材料介电常数和机电耦合系数与温度的关系曲线

2 高温探头晶片的选择

目前,超声探头用压电晶片主要分为压电陶瓷晶片和压电复合晶片。

超声探头用压电晶片材料的各项性能参数会随温度变化而变化，压电陶瓷尤其如此。当温度过高时，电偶极子会变为无序状态，这个过程称为退极化。当温度升高到居里温度以上时，压电陶瓷压电性能完全消失，探头失效。因此，要使压电陶瓷连续工作且不出现明显的退极化现象，一般要求工作温度低于居里温度的一半。

压电复合晶片不仅包括压电陶瓷，还包括聚合物相，因此高温应用环境下还要考虑聚合物相的性能随温度的变化情况[3-4]。聚合物一般具有玻璃态、高弹态等高聚物典型的力学状态。正常情况下,环氧树脂在室温下处于玻璃态，随着温度升高，会逐渐进入高弹态。在这个过程中，环氧树脂的模量、线膨胀系数、介电与力学损耗都会发生突变，对应的温度即为玻璃化转变温度，环氧树脂的使用温度一般在其玻璃化转变温度以下。为了满足压电复合材料的高温应用要求，选取的复合材料聚合物相必须要有较高的玻璃化转变温度。

因此，在压电晶片选择中要考虑如下因素：① 晶片材料居里温度大于环境温度，保证高温下晶片不失效；② 复合晶片的填充材料为高温环氧树脂，可保证压电复合材料各项电学性能在一定温度条件下不发生较大幅度的变化。

3 高温探头组装工艺

(1) 常规探头在高温检测中，会出现楔块和外壳分离的现象，楔块内芯会从外壳凸出[2]，因此高温探头灌封环氧材料时，要选择高温环境下热胀冷缩程度很轻的灌封胶，并且加强灌封前外壳内壁和声头四周的清洁，提高与灌封环氧材料的附着力，并加强灌封时抽真空的力度，提高灌封的密实度。

(2) 常规探头在高温检测时，会出现压电晶片和楔块分离的现象，这是由于压电晶片和楔块材料热胀冷缩系数不同。高温探头在制作过程中，要改善晶片和楔块的黏接工艺，比如黏接胶水的固化工艺。采用高温黏接胶水和梯度固化工艺，使胶水从室温开始到120 ℃，每隔10 ℃固化1 h。这样经过高温固化的黏接胶水，能够耐受高温环境的冲击，使探头在使用过程中，楔块和晶片黏接牢固不分离。

(3) 高温探头背衬材料的制作要求也较高，常规探头使用浇铸背衬即可，但是常规探头背衬材料在高温中不稳定，性能会波动。为此，采用压铸工艺制作背衬，采用高温环氧树脂和粉末先把背衬材料压制成密实稳定的背衬块，再与晶片高温黏接。

4 高温探头性能测试结果

依据上述原则，制作了一批高温超声探头，楔块材料选用聚醚酰亚胺，晶片选用PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)/环氧树脂1～3型压电复合材料，并采用高温黏结胶水梯度固化工艺进行组装。然后，分别在30 ℃和60 ℃两个温度条件下对其进行测试比对，测试结果如下所述。

(1) 在30 ℃和60 ℃温度环境下，测得45°单晶纵波和横波斜探头的幅值分别相差1.7 dB和2.0 dB，相较于常规探头(4.6 dB和4.0 dB)[2]，相同测试条件下制作的高温探头灵敏度变化较小。

(2) 在30 ℃和60 ℃温度环境下，测得45°单晶纵波和横波斜探头角度偏差分别为1.0°和0.7°，角度偏差与表2中的理论计算值较为接近。

(3) 制作的探头在60 ℃环境下连续工作12 h，工作过程中探头性能稳定，灵敏度偏差未超过0.5 dB，且累计工作72 h后，探头外观和性能未发生明显变化。

(4) 采用水耦合方式，试验温度逐步增加至93 ℃，制作的高温探头未出现性能突降，且试验结束后探头外观未发现明显异常。

5 结语

结合温度对超声探头性能影响的分析，对楔块材料选型、晶片材料选择和组装工艺等方面进行了改进，并制作了一批高温超声探头。

高温探头的性能测试结果表明：选择声速变化缓慢的楔块材料，可减小温度变化带来的探头角度变化，从而提高缺陷定位的准确性；优化压电复合材料制作工艺可减小温度变化带来的灵敏度变化，提高缺陷定量的准确性；采用高温黏结胶水和梯度固化工艺，可提高探头在高温环境的性能稳定性，增加使用寿命。