甘文軍，蔡家藩，李 錚，劉 云，尹 鵬，徐 安

(1.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)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(jiǎn)稱HTR-PM)在山東榮成開(kāi)工建造。HTR-PM是國(guó)家擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球首座具有第四代核能系統(tǒng)安全特性的核電機(jī)組，具備模塊化建造、安全性高、發(fā)電效率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，商業(yè)化應(yīng)用前景廣闊[1]。

HTR-PM部分受檢對(duì)象在役超聲檢測(cè)時(shí)，檢查溫度在60 ℃以上。

筆者前期試驗(yàn)研究結(jié)果表明：60 ℃以上的高溫環(huán)境會(huì)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(huì)影響檢測(cè)定位和定量的準(zhǔn)確性[2]。相對(duì)于常溫環(huán)境下的超聲檢測(cè)，高溫部件所處的高溫環(huán)境對(duì)超聲探頭的影響主要有以下幾個(gè)方面。

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

(2) 當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)壓電材料的居里溫度Tc時(shí)，壓電材料的壓電性能失效。

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

(4) 常規(guī)探頭在制作過(guò)程中，晶片與楔塊、楔塊與外殼在組裝過(guò)程中一般采用膠水黏合，而常規(guī)膠水在高溫狀態(tài)會(huì)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(jié)工藝等問(wèn)題。

超聲探頭主要通過(guò)各種具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)，如石英、壓電陶瓷、壓電復(fù)合材料以及壓電薄膜等，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)發(fā)射出去；并將接收的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。 而超聲探頭的種類繁多，針對(duì)不同的應(yīng)用需求有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但大多類型探頭具有一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)等，壓電超聲探頭結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 壓電超聲探頭結(jié)構(gòu)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(jìn)行了改進(jìn)，以期提高探頭在高溫環(huán)境下的適用性，減小溫度變化對(duì)探頭性能的影響，并對(duì)制作的探頭進(jìn)行了高溫性能測(cè)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(dǎo)致楔塊和工件中聲波傳播速度降低。

試驗(yàn)選取了幾種楔塊材料，制作成一定厚度的試件，測(cè)試不同溫度下楔塊材料的聲速(見(jiàn)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(guān)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(cè)工件的界面(聲學(xué)界面)處會(huì)發(fā)生反射和折射，其折射角大小與入射角以及界面兩側(cè)的聲速有關(guān)，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(zhì)聲速;ct為折射媒質(zhì)聲速。

當(dāng)楔塊形狀一定時(shí)，楔塊和工件中的聲速變化不一致，會(huì)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(jì)算出不同楔塊材料制作的探頭角度與溫度變化的關(guān)系(見(jiàn)表1)。

表1 理論計(jì)算不同楔塊材料探頭角度與溫度變化的關(guān)系 (°)

結(jié)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(guò)大會(huì)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(jìn)行高溫探頭制作是非常有必要的，如聚醚酰亞胺。

圖3 復(fù)合晶片材料介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)與溫度的關(guān)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(fù)合晶片。

超聲探頭用壓電晶片材料的各項(xiàng)性能參數(shù)會(huì)隨溫度變化而變化，壓電陶瓷尤其如此。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，電偶極子會(huì)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程稱為退極化。當(dāng)溫度升高到居里溫度以上時(shí)，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(fù)合晶片不僅包括壓電陶瓷，還包括聚合物相，因此高溫應(yīng)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(xué)狀態(tài)。正常情況下,環(huán)氧樹(shù)脂在室溫下處于玻璃態(tài)，隨著溫度升高，會(huì)逐漸進(jìn)入高彈態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，環(huán)氧樹(shù)脂的模量、線膨脹系數(shù)、介電與力學(xué)損耗都會(huì)發(fā)生突變，對(duì)應(yīng)的溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，環(huán)氧樹(shù)脂的使用溫度一般在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下。為了滿足壓電復(fù)合材料的高溫應(yīng)用要求，選取的復(fù)合材料聚合物相必須要有較高的玻璃化轉(zhuǎn)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(fù)合晶片的填充材料為高溫環(huán)氧樹(shù)脂，可保證壓電復(fù)合材料各項(xiàng)電學(xué)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(cè)中，會(huì)出現(xiàn)楔塊和外殼分離的現(xiàn)象，楔塊內(nèi)芯會(huì)從外殼凸出[2]，因此高溫探頭灌封環(huán)氧材料時(shí)，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(qiáng)灌封前外殼內(nèi)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(qiáng)灌封時(shí)抽真空的力度，提高灌封的密實(shí)度。

(2) 常規(guī)探頭在高溫檢測(cè)時(shí)，會(huì)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(guò)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(kāi)始到120 ℃，每隔10 ℃固化1 h。這樣經(jīng)過(guò)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(guò)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(huì)波動(dòng)。為此，采用壓鑄工藝制作背襯，采用高溫環(huán)氧樹(shù)脂和粉末先把背襯材料壓制成密實(shí)穩(wěn)定的背襯塊，再與晶片高溫黏接。

4 高溫探頭性能測(cè)試結(jié)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(shù)脂1～3型壓電復(fù)合材料，并采用高溫黏結(jié)膠水梯度固化工藝進(jìn)行組裝。然后，分別在30 ℃和60 ℃兩個(gè)溫度條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，測(cè)試結(jié)果如下所述。

(1) 在30 ℃和60 ℃溫度環(huán)境下，測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)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(guò)程中探頭性能穩(wěn)定，靈敏度偏差未超過(guò)0.5 dB，且累計(jì)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(yàn)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(yàn)結(jié)束后探頭外觀未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

5 結(jié)語(yǔ)

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

高溫探頭的性能測(cè)試結(jié)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(lái)的探頭角度變化，從而提高缺陷定位的準(zhǔn)確性；優(yōu)化壓電復(fù)合材料制作工藝可減小溫度變化帶來(lái)的靈敏度變化，提高缺陷定量的準(zhǔn)確性；采用高溫黏結(jié)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。