FR2582006A1 - Composition for acoustic transducers and transducer comprising it - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne les transducteurs acoustiques et plus précisément une composition formant un liant et destinée à être utilisée dans des transducteurs de sonar. The present invention relates to acoustic transducers and more specifically to a composition forming a binder and intended for use in sonar transducers.
Un transducteur connu de sonar comporte des fiches céramiques piézoélectriques enrobées dans un liant à base d'une résine époxyde, les fiches étant alignées axialement afin qu'elles soient parallèles et ayant au moins leurs faces céramiques d'extrémités exposées aux faces supérieure et inférieure du liant. Des électrodes sont raccordées aux faces exposées. A known sonar transducer comprises piezoelectric ceramic plugs coated in a binder based on an epoxy resin, the plugs being axially aligned so that they are parallel and having at least their ceramic end faces exposed to the upper and lower faces of the sonar. binder. Electrodes are connected to the exposed faces.
Le rôle du liant à base d'une résine est simplement le maintien des fiches céramiques à la configuration voulue et leur protection contre les détériorations. The role of the resin binder is simply to maintain the ceramic plugs in the desired configuration and protect them from damage.
On sait que des contraintes mécaniques appliquées à des matériaux à base de résine formant des liants, actuellement utilisés, ont tendance à être transmises aux fiches céramiques enrobées d'une quantité excessive. En outre, les matériaux des liants habituellement utilisés présentent des réflexions acoustiques excessives et une dilatation thermique très élevée. It is known that mechanical stresses applied to currently used binder-forming resin materials tend to be imparted to coated ceramic plugs in an excessive amount. In addition, commonly used binder materials exhibit excessive acoustic reflections and very high thermal expansion.
La présente invention concerne une composition qui supprime certains des inconvénients précédents des compositions connues, ou au moins en réduit l'acuité. Des modes de réalisation avantageux de l'invention forment un matériau constituant un liant donnant d'excellentes caractéristiques dans les transducteurs des sonars. The present invention relates to a composition which overcomes some of the foregoing drawbacks of known compositions, or at least reduces their sharpness. Advantageous embodiments of the invention form a material constituting a binder giving excellent characteristics in sonar transducers.
L'invention concerne une composition durcie à base d'une résine contenant 15 à 45 % en volume de microsphères creuses à paroi formée d'une résine, et contenant un agent de densification en quantité suffisante pour que l'impédance acoustique soit comprise entre 1,1.106 et 1,9.106 kg/m2.s ou de préférence entre 1,2.106 et 1,8.106 kg/m2.s. The invention relates to a cured resin composition containing 15 to 45% by volume of hollow resin-walled microspheres, and containing a densifying agent in an amount sufficient for the acoustic impedance to be between 1 , 1.106 and 1.9.106 kg / m2.s or preferably between 1.2.106 and 1.8.106 kg / m2.s.
L'invention concerne aussi un tansducteur acoustique contenant des éléments céramiques enrobés dans un liant tel que défini précédemment. The invention also relates to an acoustic transducer containing ceramic elements coated in a binder as defined above.
L'invention concerne aussi une composition durcie d'un liant à base d'une résine, ayant une constante inverse de Poisson (telle que définie dans la suite) qui est nettement inférieure à celle d'un matériau à base d'une résine époxyde et qui a une impédance acoustique analogue à celle de l'eau. The invention also relates to a cured composition of a binder based on a resin, having an inverse Poisson's ratio (as defined below) which is significantly lower than that of a material based on an epoxy resin. and which has an acoustic impedance analogous to that of water.
Divers modes de réalisation de l'invention sont maintenant décrits à titre purement illustratif. Various embodiments of the invention are now described purely by way of illustration.
Des compositions formant des liants selon l'invention contiennent un matériau résineux, par exemple à base d'une résine époxyde telle que "Araldite" CY221 disponible auprès de Ciba Geigy, et un durcisseur destiné à être utilisé avec elle, par exemple le durcisseur HY837 de Ciba Geigy. Divers agents plastifiants ou assouplissants peuvent éventuellement être ajoutés, par exemple l'agent assouplissant DY040 de Ciba Geigy. De telles compositions sont connues dans la technique de la fabrication des résines. Binder-forming compositions according to the invention contain a resinous material, for example based on an epoxy resin such as "Araldite" CY221 available from Ciba Geigy, and a hardener for use therewith, for example the hardener HY837. by Ciba Geigy. Various plasticizers or softeners can optionally be added, for example the softening agent DY040 from Ciba Geigy. Such compositions are known in the art of manufacturing resins.
Des compositions connues formant un liant à base d'une résine ont en général une constante de Poisson qui dépasse 0,3 et une constante inverse de Poisson d'environ 0,7. La constante de Poisson est le rapport de la déformation transversale de contraction à la déformation d'allongement lorsqu'un barreau du matériau est étiré par des forces appliquées à ses extrémités et sont parallèles à l'axe du barreau. Known resin binder compositions generally have a Poisson constant exceeding 0.3 and an inverse Poisson constant of about 0.7. The Poisson constant is the ratio of the transverse contraction strain to the elongation strain when a bar of material is stretched by forces applied at its ends and are parallel to the axis of the bar.
La constante inverse de Poisson est le rapport de la déformation transversale de dilatation à la déformation de compression lorsqu'un barreau du matériau est comprimé par des forces qui sont appliquées à ses extrémités et qui sont parallèles à l'axe du barreau. The inverse Poisson constant is the ratio of the transverse expansion strain to the compressive strain when a bar of material is compressed by forces which are applied at its ends and which are parallel to the axis of the bar.
Les compositions connues de résine destinées à former des liants ont aussi habituellement une impédance acoustique (produit de la masse volumique par la vitesse du son) de 2,2.106 kg/m2.s. Known resin compositions for forming binders also usually have an acoustic impedance (product of density times the speed of sound) of 2.2.106 kg / m2.s.
Selon l'invention, une certaine quantité de microsphères creuses est ajoutée à la résine époxyde du liant avant la polymérisation ou le durcissement. Des microsphères qui conviennent sont celles qui sont vendues sous la marque de fabrique "Expancel", notamment les microsphères "Expancel DE". Ces microsphères ont une paroi formée d'un copolymère de chlorure de vinylidène et d'acrylonitrile, elles ont une dimension moyenne de 40 pm et elles ont une masse volumique apparente de 20 kg/m3. According to the invention, a certain amount of hollow microspheres is added to the epoxy resin of the binder before polymerization or curing. Suitable microspheres are those sold under the trademark "Expancel", in particular the microspheres "Expancel DE". These microspheres have a wall formed from a copolymer of vinylidene chloride and acrylonitrile, they have an average size of 40 µm and they have a bulk density of 20 kg / m 3.
Un autre exemple de microsphères qui conviennent sont celles qui sont vendues par Union Carbide sous la marque de fabrique "Ucar" et qui possèdent une paroi de résine phénolique, qui ont une dimension moyenne de 43 pm et dont la masse volumique apparente est comprise entre 100 et 150 kg/m3. Another example of suitable microspheres are those which are sold by Union Carbide under the trademark "Ucar" and which have a phenolic resin wall, which have an average size of 43 µm and have a bulk density of 100 and 150 kg / m3.
Dans les compositions selon la présente invention, la quantité de microsphères dans la résine durcie est comprise entre 15 et 45 % du volume de la composition et de préférence entre 25 et 35 % de ce volume, très avantageusement autour de 30 % en volume. Lorsque le pourcentage volumique des microsphères augmente et dépasse 40 %, le dégazage de la résine non farcie devient excessivement difficile et, lorsque le pourcentage volumique est inférieur à 15 %, la réduction de la constante inverse de Poisson est affectée de manière nuisible. In the compositions according to the present invention, the amount of microspheres in the cured resin is between 15 and 45% of the volume of the composition and preferably between 25 and 35% of this volume, very advantageously around 30% by volume. When the volume percentage of the microspheres increases and exceeds 40%, the degassing of the unstuffed resin becomes excessively difficult, and when the volume percentage is less than 15%, the reduction of the inverse Poisson's ratio is adversely affected.
La composition du liant selon l'invention contient, en plus des microsphères, une charge de densification telle qu'un oxyde de plomb. La quantité de charge de densification qui est ajoutée est choisie afin que l'impédance acoustique du produit soit approximativement celle de l'eau, c'est-à-dire comprise entre 1,4.106 et 1,6.106 kg/m2.s, et de préférence d'environ 1,5.106 km/m2.s. The composition of the binder according to the invention contains, in addition to the microspheres, a densification filler such as a lead oxide. The amount of densification filler that is added is chosen so that the acoustic impedance of the product is approximately that of water, i.e. between 1.4.106 and 1.6.106 kg / m2.s, and preferably about 1.5.106 km / m2.s.
Un exemple de composition selon l'invention contient en volume
60 % de résine durcie
30 % de microsphères
10 % d'une charge.An example of a composition according to the invention contains by volume
60% hardened resin
30% microspheres
10% of a charge.
Une composition selon l'invention peut être préparée par combinaison des ingrédients suivants
Résine époxyde "Araldite" CY221 35-60 % en poids
Durcisseur HY837 10-18 % en poids
Plastifiant DY040 5-10 % en poids
Microsphères creuses de matière 0,8- 2 % en poids
plastique
Oxyde de plomb ou autre charge 12-48 % en poids
telle que ZrO2 la résine durcissant ensuite.A composition according to the invention can be prepared by combining the following ingredients
Epoxy resin "Araldite" CY221 35-60% by weight
HY837 hardener 10-18% by weight
Plasticizer DY040 5-10% by weight
Hollow microspheres of material 0.8-2% by weight
plastic
Lead oxide or other filler 12-48% by weight
such as ZrO2 the resin then hardens.
Le produit résultant contient alors en volume 49 à 77 % de résine durcie, 21 à 46 % de microsphères et 1 à 10 % de charge. The resulting product then contains 49-77% cured resin by volume, 21-46% microspheres and 1-10% filler.
Une composition avantageuse selon l'invention contient, en volume
60 % de résine durcie,
30 % de microsphères, et
10 % de charge, et elle peut être préparée par combinaison des ingrédients suivants :
Résine époxyde "Araldite" CY221 46,1 % en poids
Durcisseur HY837 13,8 % en poids
Plastifiant DY040 6,9 % en poids
"Expancel DE" 1,1 % en poids
Oxyde de plomb 32,1 % en poids la résine pouvant ensuite durcir naturellement.An advantageous composition according to the invention contains, by volume
60% hardened resin,
30% microspheres, and
10% load, and it can be prepared by combining the following ingredients:
Epoxy resin "Araldite" CY221 46.1% by weight
HY837 hardener 13.8% by weight
Plasticizer DY040 6.9% by weight
"Expancel DE" 1.1% by weight
Lead oxide 32.1% by weight the resin being able to then harden naturally.
On a déjà ajouté des microsphères à des compositions de résine durcissable afin que la masse volumique du produit obtenu soit réduite et que sa rigidité soit accrue. Microspheres have already been added to curable resin compositions so that the density of the product obtained is reduced and its rigidity is increased.
Ces propriétés sont contraires à celle qui sont souhaitables dans le cas d'un liant d'un transducteur de sonar.These properties are contrary to those which are desirable in the case of a binder of a sonar transducer.
De même, l'utilisation de charges denses en l'absence de microsphères serait un inconvénient dans un liant destiné à être utilisé avec un sonar.Likewise, the use of dense fillers in the absence of microspheres would be a drawback in a binder intended for use with a sonar.
Les compositions de liants selon l'invention ont une constante de Poisson analogue à celle des résines époxydes utilisées de manière classique dans les transducteurs de sonar, mais elles ont de manière surprenante une constante inverse de Poisson (telle que définie précédem ment) qui est inférieure à 0,6 et qui peut être comprise entre 0,3 et 0,5, c'est-à-dire inférieure aux deux tiers de la constante inverse de Poisson des résines époxydes habituelles. The binder compositions according to the invention have a Poisson constant similar to that of the epoxy resins conventionally used in sonar transducers, but they surprisingly have an inverse Poisson constant (as defined above) which is lower. to 0.6 and which may be between 0.3 and 0.5, that is to say less than two-thirds of the Poisson inverse constant of the usual epoxy resins.
Un extensomètre a été utilisé avec un montage spécial afin qu'il permette l'application de forces de compression à des échantillons de résine époxyde, permettant la mesure de la constante inverse de Poisson. Le procédé comprend la disposition d'un barreau cylindrique de résine époxyde dont les extrémités ont été découpées perpendiculairement à l'axe du barreau, dans un mécanisme de serrage de l'extensomètre. Une force a été appliquée au bareau et les variations de longueur et de diamètre du barreau ont été mesurées. La constante inverse de Poisson a été calculée, pour la longueur initiale L et le diamètre initial D du barreau, par détermination du rapport
aD . #L
D L
AD étant l'augmentation de diamètre et AL la réduction de longueur.An extensometer was used with a special setup to allow the application of compressive forces to epoxy resin samples, allowing the measurement of the inverse Poisson constant. The method comprises disposing a cylindrical rod of epoxy resin, the ends of which have been cut perpendicular to the axis of the rod, in a clamping mechanism of the extensometer. A force was applied to the bar and the variations in length and diameter of the bar were measured. The inverse Poisson's ratio was calculated, for the initial length L and the initial diameter D of the bar, by determining the ratio
aD. #L
DL
AD being the increase in diameter and AL the reduction in length.
Ces mesures ont été répétées plusieurs fois afin que leur reproductibilité soit établie. These measurements were repeated several times so that their reproducibility was established.
Le tableau qui suit donne les valeurs de la constante de Poisson et de la constante inverse de Poisson du liant époxyde selon l'invention, ayant la composition indiquée précédemment. The following table gives the values of the Poisson constant and of the inverse Poisson constant of the epoxy binder according to the invention, having the composition indicated above.
TABLEAU
Liant Composition selon
époxyde l'invention
Constante de Poisson 0,3-0,4 0,3-0,4
Constante inverse de Poisson 0,7 0,4
Les spécialistes peuvent facilement sélectionner d'autres polymères ou d'autres résines qui peuvent être utilisés dans les liants selon l'invention. De préférence, la résine choisie ne doit pas former de mousse, doit avoir une durée convenable de conservation en pot, une température de durcissement suffisamment faible pour que les éléments céramiques enrobés ne soient pas perturbés, et des propriétés mécaniques, électriques, thermiques et chimiques convenables. De même, le durcisseur ou catalyseur, le plastifiant et/ou d'autres adjuvants peuvent être choisis et leurs proportions peuvent être réglées par des essais de routine tout à fait normaux.BOARD
Binder Composition according to
epoxy invention
Poisson constant 0.3-0.4 0.3-0.4
Inverse Poisson constant 0.7 0.4
Those skilled in the art can easily select other polymers or other resins which can be used in the binders according to the invention. Preferably, the resin chosen should not form foam, should have a suitable pot life, a sufficiently low curing temperature so that the coated ceramic elements are not disturbed, and mechanical, electrical, thermal and chemical properties. suitable. Likewise, the hardener or catalyst, the plasticizer and / or other adjuvants can be chosen and their proportions can be adjusted by completely normal routine tests.
Les microsphères qui changent de forme lorsqu'une pression statique est appliquée mais qui reprennent leur forme lorsque la charge est supprimée, sont très avan tagedses et on a constaté que les microsphères de verre étaient les moins satisfaisantes ou même ne donnaient pas du tout satisfaction. Des charges autres que les oxydes de plomb peuvent être utilisées comme agent densificateur mais il est préférable que les charges aient une densité supérieure à 5. Microspheres which change shape when static pressure is applied but return to their shape when the charge is removed are very advantageous and glass microspheres have been found to be the least satisfactory or even unsatisfactory at all. Fillers other than lead oxides can be used as a densifying agent, but it is preferable that the fillers have a density greater than 5.
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