甘文軍，蔡家藩，李 錚，劉 云，尹 鵬，徐 安

(1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223；2.華能山東石島灣核電有限公司， 榮成 264312)

2012年12月，全球首座球床模塊式高溫氣冷堆核電站示范工程(High Temperature Gas Cooled Reactor Pebble-Bed Module，簡稱HTR-PM)在山東榮成開工建造。HTR-PM是國家擁有自主知識產權的全球首座具有第四代核能系統(tǒng)安全特性的核電機組，具備模塊化建造、安全性高、發(fā)電效率高等技術優(yōu)勢，商業(yè)化應用前景廣闊[1]。

HTR-PM部分受檢對象在役超聲檢測時，檢查溫度在60 ℃以上。

筆者前期試驗研究結果表明：60 ℃以上的高溫環(huán)境會造成部分常規(guī)超聲探頭失效和性能下降，探頭性能隨溫度的變化又會影響檢測定位和定量的準確性[2]。相對于常溫環(huán)境下的超聲檢測，高溫部件所處的高溫環(huán)境對超聲探頭的影響主要有以下幾個方面。

(1) 有機玻璃為常用的探頭楔塊材料，當溫度變化時，超聲波聲速在有機玻璃中的變化速度比在鋼中的變化快得多。

(2) 當環(huán)境溫度超過壓電材料的居里溫度Tc時，壓電材料的壓電性能失效。

(3) 不同晶片材料的聲學性能隨溫度變化差異較大，尤其是復合晶片在高溫時受膠水玻璃化溫度影響會軟化，聲學性能尤其是靈敏度變化較大。

(4) 常規(guī)探頭在制作過程中，晶片與楔塊、楔塊與外殼在組裝過程中一般采用膠水黏合，而常規(guī)膠水在高溫狀態(tài)會軟化，黏合部位易脫落，影響探頭的耐用性。

因此，高溫超聲探頭的制作既要考慮壓電材料、背襯材料、楔塊材料等核心材料的耐溫性能，還要考慮所用材料的高溫黏結工藝等問題。

超聲探頭主要通過各種具有壓電效應的電介質，如石英、壓電陶瓷、壓電復合材料以及壓電薄膜等，將電信號轉換成聲信號發(fā)射出去；并將接收的聲信號轉換成電信號，從而實現(xiàn)能量的轉換。 而超聲探頭的種類繁多，針對不同的應用需求有不同的結構設計，但大多類型探頭具有一個基本的結構，主要包括：匹配透聲材料(楔塊)、壓電發(fā)聲材料、背襯吸聲材料、電路設計等，壓電超聲探頭結構示意如圖1所示。

圖1 壓電超聲探頭結構示意

基于上述因素，筆者從楔塊材料選擇、晶片材料選擇和組裝工藝等方面進行了改進，以期提高探頭在高溫環(huán)境下的適用性，減小溫度變化對探頭性能的影響，并對制作的探頭進行了高溫性能測試。

1 高溫探頭楔塊材料選擇

不同溫度下，楔塊材料和工件的彈性模量隨溫度的升高而降低，導致楔塊和工件中聲波傳播速度降低。

試驗選取了幾種楔塊材料，制作成一定厚度的試件，測試不同溫度下楔塊材料的聲速(見圖2)。

圖2 幾種楔塊材料聲速隨溫度的變化曲線

以碳鋼為例，碳鋼中縱波、橫波聲速與溫度的關系曲線[2]為

VS=-0.416 0T+3 244.0

(1)

VL=- 0.625 6T+5 938.8

(2)

式中：T為溫度；VS為橫波聲速；VL為縱波聲速。

探頭發(fā)射的聲波在楔塊和檢測工件的界面(聲學界面)處會發(fā)生反射和折射，其折射角大小與入射角以及界面兩側的聲速有關，規(guī)律遵從Snell定律。

(3)

式中：qi為入射角度；qt為折射角度；ci為入射媒質聲速;ct為折射媒質聲速。

當楔塊形狀一定時，楔塊和工件中的聲速變化不一致，會影響探頭的折射角，繼而影響缺陷的定位。根據(jù)Snell定律，可理論計算出不同楔塊材料制作的探頭角度與溫度變化的關系(見表1)。

表1 理論計算不同楔塊材料探頭角度與溫度變化的關系 (°)

結合圖2和表1可以看出，由于碳鋼中聲速隨溫度變化較緩，聲速隨溫度變化越緩的楔塊材料,探頭角度隨溫度變化越小。而探頭角度變化過大會影響缺陷定位，因此選取聲速隨溫度變化緩慢的楔塊材料進行高溫探頭制作是非常有必要的，如聚醚酰亞胺。

圖3 復合晶片材料介電常數(shù)和機電耦合系數(shù)與溫度的關系曲線

2 高溫探頭晶片的選擇

目前,超聲探頭用壓電晶片主要分為壓電陶瓷晶片和壓電復合晶片。

超聲探頭用壓電晶片材料的各項性能參數(shù)會隨溫度變化而變化，壓電陶瓷尤其如此。當溫度過高時，電偶極子會變?yōu)闊o序狀態(tài)，這個過程稱為退極化。當溫度升高到居里溫度以上時，壓電陶瓷壓電性能完全消失，探頭失效。因此，要使壓電陶瓷連續(xù)工作且不出現(xiàn)明顯的退極化現(xiàn)象，一般要求工作溫度低于居里溫度的一半。

壓電復合晶片不僅包括壓電陶瓷，還包括聚合物相，因此高溫應用環(huán)境下還要考慮聚合物相的性能隨溫度的變化情況[3-4]。聚合物一般具有玻璃態(tài)、高彈態(tài)等高聚物典型的力學狀態(tài)。正常情況下,環(huán)氧樹脂在室溫下處于玻璃態(tài)，隨著溫度升高，會逐漸進入高彈態(tài)。在這個過程中，環(huán)氧樹脂的模量、線膨脹系數(shù)、介電與力學損耗都會發(fā)生突變，對應的溫度即為玻璃化轉變溫度，環(huán)氧樹脂的使用溫度一般在其玻璃化轉變溫度以下。為了滿足壓電復合材料的高溫應用要求，選取的復合材料聚合物相必須要有較高的玻璃化轉變溫度。

因此，在壓電晶片選擇中要考慮如下因素：① 晶片材料居里溫度大于環(huán)境溫度，保證高溫下晶片不失效；② 復合晶片的填充材料為高溫環(huán)氧樹脂，可保證壓電復合材料各項電學性能在一定溫度條件下不發(fā)生較大幅度的變化。

3 高溫探頭組裝工藝

(1) 常規(guī)探頭在高溫檢測中，會出現(xiàn)楔塊和外殼分離的現(xiàn)象，楔塊內芯會從外殼凸出[2]，因此高溫探頭灌封環(huán)氧材料時，要選擇高溫環(huán)境下熱脹冷縮程度很輕的灌封膠，并且加強灌封前外殼內壁和聲頭四周的清潔，提高與灌封環(huán)氧材料的附著力，并加強灌封時抽真空的力度，提高灌封的密實度。

(2) 常規(guī)探頭在高溫檢測時，會出現(xiàn)壓電晶片和楔塊分離的現(xiàn)象，這是由于壓電晶片和楔塊材料熱脹冷縮系數(shù)不同。高溫探頭在制作過程中，要改善晶片和楔塊的黏接工藝，比如黏接膠水的固化工藝。采用高溫黏接膠水和梯度固化工藝，使膠水從室溫開始到120 ℃，每隔10 ℃固化1 h。這樣經過高溫固化的黏接膠水，能夠耐受高溫環(huán)境的沖擊，使探頭在使用過程中，楔塊和晶片黏接牢固不分離。

(3) 高溫探頭背襯材料的制作要求也較高，常規(guī)探頭使用澆鑄背襯即可，但是常規(guī)探頭背襯材料在高溫中不穩(wěn)定，性能會波動。為此，采用壓鑄工藝制作背襯，采用高溫環(huán)氧樹脂和粉末先把背襯材料壓制成密實穩(wěn)定的背襯塊，再與晶片高溫黏接。

4 高溫探頭性能測試結果

依據(jù)上述原則，制作了一批高溫超聲探頭，楔塊材料選用聚醚酰亞胺，晶片選用PZT(鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)/環(huán)氧樹脂1～3型壓電復合材料，并采用高溫黏結膠水梯度固化工藝進行組裝。然后，分別在30 ℃和60 ℃兩個溫度條件下對其進行測試比對，測試結果如下所述。

(1) 在30 ℃和60 ℃溫度環(huán)境下，測得45°單晶縱波和橫波斜探頭的幅值分別相差1.7 dB和2.0 dB，相較于常規(guī)探頭(4.6 dB和4.0 dB)[2]，相同測試條件下制作的高溫探頭靈敏度變化較小。

(2) 在30 ℃和60 ℃溫度環(huán)境下，測得45°單晶縱波和橫波斜探頭角度偏差分別為1.0°和0.7°，角度偏差與表2中的理論計算值較為接近。

(3) 制作的探頭在60 ℃環(huán)境下連續(xù)工作12 h，工作過程中探頭性能穩(wěn)定，靈敏度偏差未超過0.5 dB，且累計工作72 h后，探頭外觀和性能未發(fā)生明顯變化。

(4) 采用水耦合方式，試驗溫度逐步增加至93 ℃，制作的高溫探頭未出現(xiàn)性能突降，且試驗結束后探頭外觀未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

5 結語

結合溫度對超聲探頭性能影響的分析，對楔塊材料選型、晶片材料選擇和組裝工藝等方面進行了改進，并制作了一批高溫超聲探頭。

高溫探頭的性能測試結果表明：選擇聲速變化緩慢的楔塊材料，可減小溫度變化帶來的探頭角度變化，從而提高缺陷定位的準確性；優(yōu)化壓電復合材料制作工藝可減小溫度變化帶來的靈敏度變化，提高缺陷定量的準確性；采用高溫黏結膠水和梯度固化工藝，可提高探頭在高溫環(huán)境的性能穩(wěn)定性，增加使用壽命。