本發(fā)明涉及超聲探頭的
技術(shù)領(lǐng)域：
、特別地涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，但是其也可在無損檢測領(lǐng)域中得以應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：超聲診斷技術(shù)一般涉及使用超聲換能器探頭對生物組織進行成像。探頭包括換能器，該換能器發(fā)送超聲波和接收從組織反射的超聲回波。換能器典型地在所選擇的成像區(qū)域中被置于患者的身體表面或體腔內(nèi)。超聲換能器生成超聲波并將超聲波引導(dǎo)至成像區(qū)域。然后換能器接收從該區(qū)域反射的超聲波并將接收的波轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號被處理以形成診斷圖像。在超聲治療的情況中，施加高強度聚焦超聲能以局部加熱和破壞病變或受損的組織。實例是HIFU(高強度聚焦超聲)，即，一類使用超聲誘導(dǎo)的熱療來治療疾病的臨床治療方法。另一應(yīng)用是使用聲能破壞結(jié)石(典型地，腎結(jié)石)的碎石術(shù)。在成像和治療方法應(yīng)用中，在發(fā)送期間因聲損耗被轉(zhuǎn)換為熱而在探頭中產(chǎn)生不用期望的熱積累。由關(guān)于可被允許在探頭表面上積累的熱量的管理機構(gòu)(governingagencies)來設(shè)置或規(guī)定所規(guī)定的限制，典型地將探頭尖端的表面溫度限制于預(yù)定的溫度或限定于室溫以上的預(yù)定增量，因而限制聲輸出。在不管聲輸出的情況下，當(dāng)探頭尖端的表面溫度被維持在特定溫度例如室溫時，獲得優(yōu)化的換能器性能。推薦了各種方法以用于超聲探頭的熱管理。傳統(tǒng)方法規(guī)定了通過將來自源的熱傳遞到探頭的主體和手柄中而對換能器結(jié)構(gòu)進行被動冷卻。第5,545,942號美國專利建議使用圍繞換能器包裝的外圍且在探頭殼體內(nèi)放置的導(dǎo)熱器，所以熱可被引離換熱器正面并被引向探頭的背面/內(nèi)部。導(dǎo)熱器用作用于排出在壓電換能器元件的脈動期間在熱灌封材料中積累的熱的管道。導(dǎo)熱器由導(dǎo)熱性大于熱灌封材料的導(dǎo)熱性的金屬箔(典型地為鋁)形成，其中熱灌封材料填充探頭殼體內(nèi)的空間并且圍繞換能器包裝。第5,721,463號美國專利教導(dǎo)如何將電纜部件用作導(dǎo)熱器，其將熱導(dǎo)出探頭手柄。這些熱管耦合至內(nèi)部導(dǎo)熱器，內(nèi)部導(dǎo)熱器與換能器托盤呈導(dǎo)熱關(guān)系。因此，由換能器陣列生成的熱可經(jīng)由內(nèi)部導(dǎo)熱器板和電纜導(dǎo)熱器傳遞而遠離與患者接觸的探頭表面?；蛘?，用于冷卻流體的入口和返流路徑被并入電纜中。電纜內(nèi)的入口和返流路徑分別連接至流動路徑的入口和出口，流動路徑與探頭手柄中的內(nèi)部導(dǎo)熱器呈導(dǎo)熱關(guān)系。在WO2012156886中，換能器堆中產(chǎn)生的熱被耦合至探頭手柄內(nèi)的金屬框架。金屬散熱器被熱耦合至探頭框架以將熱傳送至遠離框架。散熱器圍繞探頭手柄的內(nèi)部并且具有與探頭殼體的內(nèi)表面熱耦合的外表面。由此熱從散熱器被均勻地耦合到殼體中而不在殼體中產(chǎn)生熱點，所述熱點可能會使超聲掃描師的手不適。第7,105,986號和第7,694,406號美國專利公開了在換能器中使用的具有增強的傳導(dǎo)性的背襯材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。復(fù)合結(jié)構(gòu)包括多個背襯材料層，多個背襯材料層與多個導(dǎo)熱元件交替地布置，其中多個導(dǎo)熱元件被配置為將來自換能器中心的熱傳遞至背襯材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)上的多個點。第5,560,362號美國專利教導(dǎo)通過使用開放環(huán)路冷卻系統(tǒng)、封閉環(huán)路循環(huán)冷卻系統(tǒng)、熱電冷卻系統(tǒng)和蒸發(fā)器/冷凝器系統(tǒng)進行主動冷卻。第5,961,465號美國專利教導(dǎo)傳遞來自位于探頭殼體內(nèi)和接近換能器的集成電路的熱，其中熱傳遞由循環(huán)冷卻系統(tǒng)提供。上面的方法傳遞熱以遠離換能器結(jié)構(gòu)位于探頭內(nèi)部(由此遠離成像的生物組織)的部分或冷卻該部分。然而，主要的生熱源是探頭的最接近生物組織的區(qū)域(即換能器的朝向生物組織發(fā)送聲能的區(qū)域)，以及與生物組織接觸的相鄰?fù)哥R，其中聲能通過所述透鏡被聚焦并被引向生物組織。第7,052,463號美國專利公開一種主動冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于循環(huán)冷卻介質(zhì)的管道以及與循環(huán)的冷卻介質(zhì)流體連通且具有用于從循環(huán)的冷卻介質(zhì)去除熱的裝置的換熱器，其中所述管道的至少一部分接近或接觸探頭尖端的外表面。盡管高效，但是此系統(tǒng)要求位于換能器外部的有源裝置，其中有源裝置致使探頭笨重且相當(dāng)復(fù)雜，尤其相對于被動冷卻方法而言。從探頭尖端被動排熱的首次嘗試可在已經(jīng)提及的第5,721,463號美國專利中找到。在各個實施方式中，此文獻教導(dǎo)一種由金剛石或類金剛石碳基材料構(gòu)成的熱增強層，該熱增強層是高度導(dǎo)熱性的且形成于探頭的遠端的聲部件上。在第5,402,793號美國專利和公開號為2010/016727的美國專利申請中設(shè)想了使用石墨。這些解決方案的方向是正確的，然而，金剛石的聲屬性差。因此可接受的聲耦合要求極薄的膜，極薄的膜限制了其作為排熱裝置發(fā)揮作用的能力。此外，因致使此解決方案不可行的金剛石的典型三維結(jié)構(gòu)，層的最小可實現(xiàn)的厚度存在限制。上述情況也適用于石墨，盡管在此材料中的碳具有導(dǎo)致更平坦結(jié)構(gòu)的不同鱗狀結(jié)構(gòu)(ibridation)。因而，仍亟需從超聲探頭的尖端傳遞熱以提供改進的聲和熱耦合。技術(shù)實現(xiàn)要素：因此，本發(fā)明的目的是便利且高度機動的具有優(yōu)化的熱管理的探頭。本發(fā)明由超聲探頭實現(xiàn)該目標(biāo)，所述超聲探頭包括：a)殼體；b)換能器組件，其可操作地將聲能發(fā)送向探頭適于聲學(xué)耦合至目標(biāo)物體或區(qū)域的區(qū)；c)冷卻系統(tǒng)，其包括布置為將由換能器組件產(chǎn)生的熱傳遞至位于此換能器組件外的一個或多個區(qū)(regions)或區(qū)域(areas)的熱傳遞裝置，其中此熱傳遞裝置包括石墨烯基材料，特別是純石墨烯或裝填有用于獲得復(fù)合物的其他組分如樹脂的石墨烯。石墨烯是二維結(jié)晶碳基材料。其已經(jīng)在1947年由P.R.Wallace-PhysicalReview71,476(1947)得以理論研究，但其僅于2004年10月在Science306,666(2004)中由K.S.Novoselov,A.K.Geim等人公開，即，這種引人注意的材料開始激發(fā)諸多科學(xué)關(guān)注。如在由ClassforPhysicsoftheRoyalSwedishAcademyofSciences編輯的出版物“ScientificBackgroundontheNobelPrizeinPhysics2010”(2010年10月5日)所泛泛地指出的，石墨烯具有多種屬性，使其在多個不同的應(yīng)用中變得引人關(guān)注。其是極薄的、機械上非常強的、光學(xué)透明的且柔韌的導(dǎo)體。其傳導(dǎo)性可以通過化學(xué)摻雜或通過電場而在大范圍內(nèi)改變。石墨烯的遷移率是非常高的，這使得該材料對于電子高頻應(yīng)用而言是引人關(guān)注的。最近，已經(jīng)可能制造大的石墨烯片。使用接近于工業(yè)化的方法，已經(jīng)生產(chǎn)寬度為70cm的片。因為石墨烯是透明導(dǎo)體，所以其可以用于諸如觸摸屏、光板和太陽能電池的應(yīng)用中，其中其可以替代相當(dāng)脆且昂貴的氧化銦錫(ITO)。柔性電子產(chǎn)品和氣體傳感器是其他潛在的應(yīng)用。石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)也可以有助于在計量學(xué)方面更加精確的電阻標(biāo)準(zhǔn)。具有高強度和低重量的基于石墨烯的新類型的復(fù)合材料也可以對于在衛(wèi)星和飛行器中的使用而言是引人關(guān)注的。知曉石墨烯在增強的導(dǎo)熱性方面的屬性的發(fā)明人開始考慮該材料，同時研究超聲探頭的熱管理的問題的可能的解決方案。在首次測試之后，該材料不僅顯示出非常好的導(dǎo)熱性，而且也顯示出非常低的聲阻抗，這使得他們很驚訝。特別地，這樣的聲阻抗足以接近于常用作換能器組件的末級(其發(fā)揮與皮膚接觸而放置的聲透鏡的作用)的硅酮橡膠的聲阻抗。這會允許將石墨烯幾乎放置在傳能器組件的頂部上而不顯著影響探頭的整體聲耦合。此外，由于其高強度，石墨烯似乎發(fā)揮對醇的良好化學(xué)屏障的作用，具有與卡普頓(Kapton)相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，從而將該材料的層放置在換能器組件中也會帶來這種額外的益處。在這樣的程度上，根據(jù)一實施方式，換能器組件包括一個或多個可操作地產(chǎn)生超聲波的換能器元件，并且熱傳遞裝置包括在此類換能器元件與探頭的耦合區(qū)之間放置的一層或多層的石墨烯基材料。特別地，由于換能器組件典型地包括一個或多個聲匹配層，所以，作為至少一個此類匹配層的替代物或除這些匹配層之外，石墨烯基材料可以經(jīng)布置以形成在換能器組件中放置的熱傳遞層。根據(jù)優(yōu)選的解決方案，熱傳遞層是從換能器元件向探頭的耦合區(qū)的最遠的層，這歸因于其非常低的聲阻抗。熱傳遞層可以被認為是匹配層，因此其厚度有利地被選擇為不大于探頭經(jīng)配置而產(chǎn)生的超聲波的波長的1/4。石墨烯基材料可以是純石墨烯或是復(fù)合物，例如由石墨烯和環(huán)氧樹脂獲得的復(fù)合物。在這種情況下，其優(yōu)選為與樹脂條紋交錯的石墨烯條紋，或具有填充有樹脂的孔的石墨烯層，從而實現(xiàn)更機械穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。實際上，石墨烯趨于剝離，并且使其具有用于安置樹脂的孔或槽，能夠允許獲得更可靠的化合物。根據(jù)一實施方式，冷卻系統(tǒng)包括位于殼體中的與熱傳遞裝置熱連通的散熱裝置和/或儲熱裝置。散熱裝置和/或儲熱裝置優(yōu)選與熱傳遞層經(jīng)由包含傳導(dǎo)材料(典型地，由相同的石墨烯基材料形成)的熱傳遞回路而熱連通。熱傳遞裝置是，例如，位于換能器元件與探頭的耦合區(qū)之間且外圍彎曲以形成從探頭的前面向后面橫向延伸的縱向路徑的石墨烯層。散熱器裝置是，例如，支撐背襯的典型金屬塊，或者在探頭外殼內(nèi)或附接的電纜內(nèi)的任何金屬部件，而儲熱裝置可以有利地是能夠吸收熱以保持溫度恒定的任何恒溫系統(tǒng)，例如基于PCM(相變材料)的那些。根據(jù)一種改進，位于換能器元件的與發(fā)射表面相對的后側(cè)上的背襯元件裝填有石墨烯以改進其導(dǎo)熱性。這是因為發(fā)明人發(fā)現(xiàn)石墨烯在不期望的振動的消除(dumping)方面的聲屬性是出乎意料地好的。通過使其裝填有石墨烯而致使導(dǎo)熱的背襯材料可以明顯地與在探頭的前部中放置的石墨烯層無關(guān)地存在。根據(jù)一實施方式，換能器組件包括位于前發(fā)射表面與探頭的耦合區(qū)之間的匹配層/熱傳遞層，以及位于換能器元件的與發(fā)射表面相對的后側(cè)上的背襯元件，并且散熱材料位于背襯材料與同探頭的耦合區(qū)相對的殼體之間以接收來自熱傳遞層和/或背襯材料的熱?？梢灾辽俨糠值靥娲嵫b置或者除了散熱裝置之外的儲熱裝置典型地包括相變材料(PCM)，相變材料發(fā)揮能夠吸收熱以典型地維持溫度恒定的恒溫元件的作用。PCM優(yōu)選是有機可逆轉(zhuǎn)變材料，其以潛熱形式存儲熱，同時相從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，并且當(dāng)相從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)時釋放儲存的熱。儲熱裝置可以有利地包含石墨烯，更具體地，包含PCM和裝填有石墨烯的填充物的復(fù)合物。填充物典型地是裝填有石墨烯的樹脂，例如環(huán)氧樹脂，并且PCM由此類石墨烯裝填的樹脂微封裝。儲熱裝置有利地布置為將可用的空間填充到探頭殼體內(nèi)部以暫時儲存從換能器組件排出的熱。其可以明顯還位于殼體外，例如在電纜中。此外，本發(fā)明的改進將構(gòu)成從屬權(quán)利要求的主題。附圖說明通過對附圖中例示的非限制性實施方式的以下描述，本發(fā)明的特征和從其獲得的優(yōu)勢將變得更明顯，在附圖中：圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)探頭的透視圖；圖2示出了根據(jù)圖1的探頭的頭部的放大視圖；圖3示意性地示出了具有地線連接部的探頭頭部，其中地線連接部被布置為接觸相同原料(raw)的換能器元件；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的探頭頭部；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一實施方式的探頭的截面視圖；圖6示出了根據(jù)圖5的探頭的頭部的放大視圖；圖7和圖8示出了適于在本發(fā)明中使用的石墨烯的結(jié)構(gòu)。具體實施方式參考圖1至圖3，其中示出了傳統(tǒng)的探頭。探頭包括超聲波發(fā)射和接收頭部1，頭部1的前面以朝向目標(biāo)(例如，被檢查的身體)的方向發(fā)射超聲波，并且其上反射的超聲波和進入的超聲波撞擊并且被感測。超聲頭部1具有與所述前側(cè)相反的背側(cè)3，背側(cè)3被定向為朝向探頭外殼的內(nèi)部并且朝向設(shè)置在探頭外殼內(nèi)部的用于支撐探頭頭部的裝置。按從頭部的背側(cè)向頭部的前側(cè)的順序(該順序也與發(fā)射的超聲波的傳播方向相對應(yīng))，探頭頭部1包括由接觸電極陣列形成的第一層101。接觸電極的該層101的每個接觸電極具有分離的電連接線，電連接線到達沿接觸電極的層的至少一個邊緣設(shè)置的接觸端子(由201指示)上的相對應(yīng)的接觸引腳。接觸電極的層101典型地為至少電分離的接觸電極的陣列的形式，因為所述接觸電極中的每個接觸電極具有將電激勵信號反饋給相關(guān)聯(lián)的換能器并在換能器被撞擊的超聲波機械地激勵時從相關(guān)聯(lián)的換能器收集電接收信號的功能。如在1,25D、1.5D或1.75D探頭中，一些電極可能是短路的。在由接觸電極陣列形成的層上鋪設(shè)壓電元件陣列301。壓電元件中的每個壓電元件形成發(fā)射和接收換能器。壓電元件典型地由鋯鈦酸鉛(PZT)、PZT-樹脂復(fù)合物或單晶材料制成。單獨的換能器均一致并且與層101的接觸電極之一電接觸。在可能的配置中，又一導(dǎo)電材料層401被鋪設(shè)在由換能器陣列形成的層301上。層401的導(dǎo)電材料與壓電元件中的每個壓電元件電接觸并且通過接觸端子501連接至地電位。導(dǎo)電材料層401形成層301的換能器的地電極。層401可以是地電極陣列的形式，但是由于地電位為層301的每個換能器所共有的，所以不需要為每個換能器提供分離的地電位，從而該層401可容易地由導(dǎo)電材料的連續(xù)層形成?；蛘?，接地可通過屬于如圖3所示的相同原料的微觀異形線材(sectionwire)401’接觸元件形成。壓電材料元件陣列301上設(shè)置有由圖1和圖2中的數(shù)字601和701指示的匹配層。這些層(圖2的實例中為兩個，圖3中為一個)具有使壓電元件的聲阻抗適應(yīng)目標(biāo)的聲阻抗的功能。通常，使用兩個或三個層以提供漸進的逐步適應(yīng)，這還允許為通過的超聲波維持足夠大的帶寬。在每種材料中，聲阻抗通過聲音的速度乘以密度的乘積給定并且可被認為等于具有許多功率傳遞級的電氣電路的電阻抗。每個匹配層的厚度一般遵循λ/4規(guī)則，所以它們依賴于它們的工作頻率(一般對于標(biāo)準(zhǔn)成像探頭，為2MHz至12MHz)和每種材料中的聲音速度。匹配層一般由負載有金屬粉的環(huán)氧樹脂制成。在具有接地導(dǎo)電層401的配置(參見圖1和圖2)中，第一匹配層601一般被置于接地層401之上。在配線連接401’的情況(如圖3)中，第一匹配層601與壓電元件301直接接觸。典型地，第一匹配層601由聲阻抗為約5MRayl至12MRayl的材料制成，并且最后一個匹配層701的聲阻抗為約2MRayl。作為最后一個元件，聲透鏡801(典型地為硅橡膠)被置于在匹配層701上，聲透鏡801形成探頭的頭部1與目標(biāo)主體的表面之間的界面。此透鏡的目標(biāo)是在高程面(elevationplane)中聚焦超聲束。由接觸電極陣列形成的層101和由接地導(dǎo)電材料形成的層401或配線401’的接觸端子201和501電且機械地連接至印刷電路板4，印刷電路板4提供必要的導(dǎo)電軌道，導(dǎo)電軌道經(jīng)由連接器8連接至探頭連接電纜(未示出)，所述電纜連接具有超聲裝置(例如，超聲成像裝置)的探頭。探頭頭部1一般被粘在背襯材料2上，背襯材料2充當(dāng)支撐件和反行聲波的阻尼設(shè)備以最小化混響和振動。背襯材料一般是導(dǎo)熱性差的特別硬的橡膠化合物。金屬(典型地，鋁)塊3充當(dāng)背襯材料2的支撐件。術(shù)語“背襯”出現(xiàn)時被理解為表示安裝有壓電元件的、具有合適的幾何結(jié)構(gòu)的固體塊，當(dāng)此部件通過壓力脈沖被激勵時，振蕩被阻尼，連續(xù)振蕩之間的振幅的減小依賴于與該部件組合的材料。因此，此基底必須在阻抗和吸收方面具有特殊的聲屬性以獲得期望的衰減水平。進入發(fā)熱過程，在使用期間，與探頭連接的系統(tǒng)通過連接器和電纜將電信號發(fā)送至聲堆(acousticstack)。壓電元件301將電信號轉(zhuǎn)換為聲輸出能，聲輸出能從硅酮橡膠透鏡801發(fā)射至被檢查的目標(biāo)。在接收回聲信號期間，壓電元件301感測由目標(biāo)(診斷設(shè)備情況下的患者內(nèi)部組織)反彈并反射回換能器的聲能產(chǎn)生的電干擾。其主要是該過程的主要負責(zé)發(fā)熱的發(fā)送部分。這是因為電聲能轉(zhuǎn)換過程的效率低于100％。因此，壓電元件充當(dāng)不期望的加熱器。而且，當(dāng)超聲能由壓電元件產(chǎn)生時，其部分地由匹配層601、701、透鏡801和背襯2吸收，通常都不是完全無損的。因此，熱在壓電元件301中和探頭頭部1的其它材料中生成。根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式，使用被置于僅在聲透鏡801之前的最后匹配層601的前面的石墨烯(更一般地，包含石墨烯的化合物)的層5排出熱，如圖4所示的示例。石墨烯化合物可簡單地為一個或多個石墨烯片或更復(fù)雜的化合物，例如從石墨烯和樹脂(例如，環(huán)氧樹脂)獲得的復(fù)合物層。參考圖7，除了環(huán)氧樹脂205以外，化合物還可存在于石墨烯條紋105中。假如其是匹配層，則寬度值例如分別為1mm和0.1mm，且厚度根據(jù)所謂的λ/4規(guī)則依賴于探頭頻率而改變。結(jié)構(gòu)可通過類似于探頭陣列制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)接合-切割-填充(bond-dice-fill)工藝制造，或者其可在石墨烯層合成過程中產(chǎn)生。另一實例在圖8中示出。在此情況中，石墨烯層具有孔305，其中樹脂可位于孔305中以實現(xiàn)更加機械可靠的結(jié)構(gòu)。實際上，石墨烯趨于剝落，并且使其具有用于安置樹脂的孔或槽，能夠允許獲得更可靠的化合物。石墨烯層或石墨烯基化合物層可被置于從換能器陣列301開始(例如，第一匹配層601之前或之后、在第二匹配層701之前或之后)的任意位置中。測量石墨烯化合物的聲阻抗，并發(fā)現(xiàn)其出乎意料地低、在實驗測量近似法范疇內(nèi)接近用于硅酮橡膠的值。此屬性允許使用石墨烯，在特別有利的實施方式中，在壓電陣列301與硅酮透鏡801之間使用石墨烯且探頭性能損失可忽略。供替換或供組合地，還可通過使背襯2裝填有石墨烯因而致使相同的導(dǎo)熱性而傳遞熱。在圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的探頭。石墨烯基材料層5被定位在普通探頭的聲硅酮透鏡2之下，然后折疊并延伸至換能器堆的后部。符合聲學(xué)設(shè)計來選擇厚度以對應(yīng)于或小于其聲音速度的λ/4值。層5在背襯材料2與硅酮透鏡801之間橫向延伸以到達熱被傳送的金屬(典型地，鋁)塊3。供替換地或供組合地，由層5實現(xiàn)的熱路徑405在位于探頭頭部1與外部人體工學(xué)外殼6之間的區(qū)103處閉合。該區(qū)103可被定位與鋁塊3直接接觸，或外殼6的位于探頭后部的任意區(qū)域中，即位于聲透鏡801的相反側(cè)上，從而充當(dāng)散熱體。而且，背襯2在通過裝填有石墨烯而被致使導(dǎo)熱的情況下可發(fā)揮排熱的作用。由于其位置，在此情況中，熱找到去往鋁塊3的優(yōu)選路徑。裝填有石墨烯的背襯與發(fā)揮從探頭的前部排熱的作用的石墨烯層的組合提供了超聲探頭的熱管理問題的優(yōu)選解決方案，但是這兩個解決方案(石墨烯層和石墨烯裝填的背襯)可得到獨立的應(yīng)用。散熱體103可通過導(dǎo)熱填充物6熱連接至探頭外殼6，從而探頭將熱傳播至環(huán)境的能力主要由來自探頭外表面的熱的被動自由對流來管理。當(dāng)然，通過來自探頭外表面的空氣的自然對流去除熱的能力受限，取決于所設(shè)計的熱路徑的效率和散熱有效表面積的跨度。改進可存在于沿所附接的電纜的長度向下傳播一些熱，從而擴展被動對流表面積。更好的選項是考慮可充當(dāng)儲熱裝置的內(nèi)部填充材料6，通過相變過程減損在固定溫度下的熱。此類材料可以是具有改善的熱屬性的相變材料(PCM)化合物。例如從第7,308,828號美國專利中獲知在聲探頭中使用PCM，盡管未與充當(dāng)高效熱回路的石墨烯化合物組合。PCM的實例可在通過引用并入本文的Kenisarin,M.Mahkamov,K(2007)“Solarenergystorageusingphasechangematerials”，RenewableandSustainableEnergyReviews11(9):1913-1965和SharmaAtul；Tyagi,V.V.；Chen,C.R.；Buddhi,D.(2009)“Reviewonthermalenergystoragewithphasechangematerialsandapplications”，RenewableandSustainableEnergyReviews13(2):318-345中找到。PCM可被分為下面的主要類別：-有機物，例如鏈烷烴(CnH2n+2)和脂肪酸(CH3(CH2)2nCOOH)；-無機物，例如水合鹽(MnH2O)；-低共熔物，例如月桂酸和硬脂酸；-吸濕性材料。發(fā)明人不僅在轉(zhuǎn)變溫度和潛熱/質(zhì)量方面、而且也在其它重要特征如特殊化合物內(nèi)的可逆性相變效率和相互作用方面研究了許多類型的PCM。在若干測試之后，發(fā)現(xiàn)有機可逆PCM可因下列屬性而最適于本申請：-凍結(jié)而無需過冷；-一致性融化(meltcongruently)的能力；-自成核屬性；-與傳統(tǒng)的構(gòu)造材料的兼容性；-無離析；-化學(xué)穩(wěn)定；-熔化的高熱量；-安全和非反應(yīng)性；-可回收。所測試的有機PCM之一具有例如如下屬性：轉(zhuǎn)變溫度：27-35℃；潛熱：155-175J/Kg。PCM的工作機制是簡單的，并且主要與物質(zhì)改變保持溫度恒定的狀態(tài)直到交換了與物質(zhì)自身的潛熱相等的熱量為止的物理特性有關(guān)。因此，能夠使用PCM積聚過剩的熱，簡單地讓其工作在接近熔化或凝固的溫度范圍內(nèi)。然而，這意味著在PCM處于非固體狀態(tài)(這致使其使用不便且相當(dāng)復(fù)雜)時需要合適的容器來容納PCM。此問題的解決方案是基于PCM的熱復(fù)合物，優(yōu)選地有機型熱復(fù)合物。熱復(fù)合物是針對相變材料(PCM)和其他(通常固體)結(jié)構(gòu)的組合所給出的術(shù)語。簡單的實例是沉浸于石蠟中的銅絲網(wǎng)。石蠟內(nèi)的銅絲網(wǎng)可被認為是熱復(fù)合材料。通過使用填充物例如環(huán)氧樹脂、聚氨酯、硅等來接合于PCM，能夠避免其在液體狀態(tài)時的分散而不需要特定的容器。然而，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)PCM材料可干擾填充物的聚合過程，結(jié)果是PCM未被嚴格地接合并且在復(fù)合物中保持高度可移動的。此外，填充物(特別地為環(huán)氧樹脂)典型地不是導(dǎo)熱的，結(jié)果是，盡管熱傳遞回流因充當(dāng)散熱體的石墨烯的存在而高度有效，但是基于PCM的熱變換器裝置并非如此有效。根據(jù)改進，本發(fā)明因此提供被用作(特別地超聲探頭中)儲熱設(shè)備的新類別的PCM復(fù)合物。這些復(fù)合物可基于高導(dǎo)熱樹脂或使用通過裝填有石墨烯而給予的填充物。以這種方式，可獲得新PCM化合物，其高度有效且可在探頭中可行的任意孔隙空間7(特別地在探頭的后部)中分散?？傊┦强蓪Τ曁筋^的熱管理有用的非常特別的物質(zhì)。其可以以匹配層形式使用以從探頭的前部排熱或者作為背襯的填充物以從探頭的后部排熱。其還可得以應(yīng)用作為對待被用作暫時將熱存儲在探頭的遠離前發(fā)射表面的區(qū)中的熱變換器的PCM進行封裝的填充物的裝填充料。熱變換器可被散置在探頭的任意位置處且因其在接合劑中的微囊化而沒有提供能宿留該材料的特定位置或容器。作為散熱體的包括PCM和石墨烯的熱復(fù)合物的使用未嚴格地見于與本發(fā)明的排熱相組合，但是它可能是不僅在超聲探頭領(lǐng)域(例如作為已經(jīng)引用的第7,308,828號美國專利中公開的設(shè)備的替換或改進)而且還在需要優(yōu)化熱管理的任意其它領(lǐng)域中的暫時儲熱裝置的問題的獨立解決方案。石墨烯是非常薄的幾乎透明的片(單原子厚)形式的純碳。其對于其非常低的重量而言是非常牢固的(比鋼牢固100倍)，并且其以極大的效率導(dǎo)熱和導(dǎo)電。盡管科學(xué)家已經(jīng)建立關(guān)于石墨烯的理論幾十年，但是其在2004年在實驗室被首次生產(chǎn)。在技術(shù)上，石墨烯是具有2維屬性的碳的結(jié)晶同素異形體。在石墨烯中，碳原子以規(guī)則的sp2-鍵合原子級鐵絲網(wǎng)(六邊形)圖案而致密地堆積。石墨烯可以被描述為石墨的單原子厚的層。其是包括石墨、炭、碳納米管和富勒烯在內(nèi)的其他同素異形體的基本結(jié)構(gòu)元素。其還可被認為是無限大的芳香族分子，即，脂肪多環(huán)芳烴的家族的極限情況。石墨烯是其中每一單個原子從兩側(cè)(因2D結(jié)構(gòu))在化學(xué)反應(yīng)中處于暴露的碳(并且一般是所有固體材料)的唯一形式。已知，石墨烯片的邊緣處的碳原子具有特殊的化學(xué)反應(yīng)性，并且石墨烯(與例如碳納米管的類似材料相比)具有最高的邊緣碳比率。另外，片內(nèi)的非常常見的各類缺陷增加了化學(xué)反應(yīng)性。單層石墨烯的底平面與氧氣之間的反應(yīng)的起始溫度低于260℃并且石墨烯在非常低的溫度(例如，350℃)下燃燒。實際上，由于碳原子的橫向可用性，石墨烯是化學(xué)方面最有反應(yīng)性的碳形式。石墨烯通常被含氧的和含氮的官能團改性并且通過紅外光譜法和X射線光電子能譜法來分析。孤立的2D晶體甚至在理論上也不能經(jīng)由化學(xué)合成而生長超越小尺寸，因為隨著橫向尺寸增加，聲子密度的快速生長迫使2D微晶彎曲向第三維度中。然而，存在2D材料的其他途徑：基本力以產(chǎn)生2D晶體的方式布置出似乎不可逾越的壁壘。新生的2D微晶嘗試使它們的表面能最小化，并且不可避免地變成在炭黑(soot)中出現(xiàn)的豐富多樣的穩(wěn)定3D結(jié)構(gòu)之一。但是，仍存在繞過該問題的方法。與3D結(jié)構(gòu)的相互作用使2D晶體在生長期間穩(wěn)定。因此，可以使2D晶體夾在塊狀晶體的原子平面之間，或置于該原子平面的頂部。在此方面，石墨烯已經(jīng)存在于石墨內(nèi)。然后，可以希望避開自然屬性(foolNature)，并且在其中微晶處于由最初較高溫度的3D生長規(guī)定的淬冷狀態(tài)的足夠低的溫度下提取單原子厚的微晶。產(chǎn)生石墨烯的兩種基本方法是將多層石墨解離成單層，或通過在另一材料上布置單層碳而使其外延生長。前者是最先出現(xiàn)的，使用膠帶來剝離單層。在任一情況中，石墨隨后必須接合于某一基底以保持其2D形狀。也已經(jīng)開發(fā)出其他技術(shù)，如下所報道。剝離從2014年，剝離產(chǎn)生了具有最低缺陷數(shù)和最高電子遷移率的石墨烯。膠帶解離也稱為剝離。實現(xiàn)單層通常需要多個剝離步驟，每一步驟產(chǎn)生具有更少層的薄片，直至僅剩下一層為止。Geim和Novosolev使用膠帶來分離它們的石墨烯。在剝離之后，使用“干法沉積”將薄片沉積在硅晶圓上。經(jīng)由該技術(shù)可以獲得大于1mm且肉眼可見的微晶。其常稱為“透明膠帶(scotchtape)”法或“拉拽(drawing)”法。出現(xiàn)后一名稱是因為干式沉積類似于拉拽出一片石墨。楔型機械剝離產(chǎn)生寡層石墨烯的另一可控的技術(shù)采用楔形類型的工具來應(yīng)對膠帶法的難處。在該方法中，鋒利的單晶體金剛石楔子穿入石墨源以使層剝離。該方法采用高度有序的熱解石墨(HOPG)作為起始材料。實驗得到分子動態(tài)模擬的支持。石墨氧化物還原石墨氧化物還原大概是石墨烯合成的第一種方法。P.Boehm在1962年報道了產(chǎn)生還原的石墨烯氧化物的單層薄片。Geim承認了Boehm的貢獻。石墨氧化物的快速加熱和剝離產(chǎn)生高度分散的碳粉，而且石墨烯薄片的百分比低。報道石墨氧化物單層膜的還原(例如，在氬氣/氫氣中經(jīng)退火由肼來還原)產(chǎn)生石墨烯膜。然而，與透明膠帶的石墨烯相比品質(zhì)較低，這歸因于官能團的去除不完整。此外，氧化方法由于過度氧化而引入永久的缺陷。增強氧化方案以產(chǎn)生具有幾乎完整的碳框架的石墨烯氧化物，所述氧化方案允許官能團的充分去除。超聲處理向DVD施加一層石墨烯氧化物膜并在DVD刻錄機中使其燃燒，產(chǎn)生了具有高導(dǎo)電性(1738西門子/米)和比表面積(1520平方面/克)的薄石墨烯膜，其是高度阻抗且有延展性的。溶劑輔助將石墨分散在適當(dāng)液體介質(zhì)中可以通過超聲處理來產(chǎn)生石墨烯。石墨烯通過離心與石墨分離，產(chǎn)生在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中初始高達0.01mg/ml的石墨烯濃度，且隨后在NMP中達到2.1mg/ml。使用合適的離子液體作為分散液體介質(zhì)產(chǎn)生5.33mg/ml的濃度。由此方法產(chǎn)生的石墨烯濃度非常低，因為未能阻止片由于范德華力而再堆疊。實現(xiàn)的最大濃度是范德華力克服石墨烯片與溶劑分子之間的相互作用力的濃度。溶劑/表面活性劑輔助在超聲處理之前向溶劑添加表面活性劑通過吸附于石墨烯表面而防止再堆疊。這產(chǎn)生更高的石墨烯濃度，但去除表面活性劑需要化學(xué)處理。不混溶液體在兩種不混溶液體(最顯著地是庚烷和水)的界面之間對石墨進行超聲處理產(chǎn)生宏觀尺度的石墨烯膜。石墨烯片被吸附于庚烷與水之間的高能界面，其中它們被保持不進行再堆疊。石墨烯保留在界面處，即使當(dāng)暴露于超過300,000g的力時。然后，可以蒸發(fā)溶劑。片是高達約95％透明和傳導(dǎo)的。外延外延是指結(jié)晶覆蓋層在結(jié)晶基底上的沉積，其中在二者之間存在對應(yīng)關(guān)系(registry)。在一些情況中，外延石墨烯層足夠弱地結(jié)合于表面(通過范德華力)以保留孤立的石墨烯的二維電子帶結(jié)構(gòu)。弱結(jié)合的外延石墨烯的實例是在SiC上生長的外延石墨烯。在碳化硅和銥上生長的石墨烯單層弱結(jié)合于這些基底(何種程度的弱尚存爭論)，并且可以進一步鈍化石墨烯-基底相互作用。碳化硅在低壓(約10-6torr)下將碳化硅(SiC)加熱到高溫(＞1100℃)會使其還原成石墨烯。該過程產(chǎn)生尺寸依賴于晶圓大小的外延石墨烯。用于石墨烯形成的SiC的面(硅封端或碳封端的)高度影響所得的石墨烯的厚度、遷移率和載流子密度。在該材料中首次顯現(xiàn)石墨烯的電子帶結(jié)構(gòu)(也稱為狄拉克錐結(jié)構(gòu))。在該材料中觀察到弱反局域效應(yīng)，但在由拉拽法產(chǎn)生的剝離石墨烯中則沒有。大的溫度無關(guān)的遷移率接近在置于氧化硅上的剝離石墨烯中的遷移率，但低于通過拉拽法產(chǎn)生的懸浮的石墨烯中的遷移率。甚至在沒有轉(zhuǎn)移的情況下，SiC上的石墨烯顯現(xiàn)出無質(zhì)量的狄拉克費米子。提供多層石墨烯堆的結(jié)合力的弱范德華力通常不影響單個層的電子屬性。即，盡管某些多層外延石墨烯的電子屬性與單層的電子屬性相同，但在其他情況中，所述屬性受到影響，因為它們在塊狀石墨中。該影響是理論上充分理解的，并且涉及層間相互作用的對稱性。在SiC上的外延石墨烯可以使用標(biāo)準(zhǔn)微電子學(xué)方法而構(gòu)圖?？梢酝ㄟ^激光照射產(chǎn)生和調(diào)整帶隙。金屬基底金屬基底的原子結(jié)構(gòu)可以促進(seed)石墨烯生長。釕在釕上生長的石墨烯典型地不產(chǎn)生均勻的層厚度。在底部石墨烯層與基底之間的接合可以影響層屬性。銥在銥上生長的石墨烯是非常弱接合的、厚度均勻的，并且可以是高度有序的。與在許多其他基底上一樣，在銥上的石墨烯是輕微波動的。由于長程有序的這些波紋，所以電子帶結(jié)構(gòu)(狄拉克錐)中的微帶隙(minigaps)變得可見。鎳已經(jīng)使用多種技術(shù)在薄鎳膜上經(jīng)由化學(xué)氣相沉積合成在區(qū)域中超過1cm2(0.2平方英寸)的寡層石墨烯的高品質(zhì)片。在較少步驟中出現(xiàn)通過化學(xué)氣相沉積在鎳膜上的石墨烯的生長。首先，將薄鎳膜暴露于900-1000℃的氬氣。然后將甲烷混入該氣體，并且來自甲烷的碳被吸收到鎳膜中。然后將鎳-碳溶液在氬氣中冷卻。在冷卻過程期間，碳從鎳擴散出，以形成石墨烯膜。另一方法使用與傳統(tǒng)CMOS處理相兼容的溫度，使用具有金的鎳基合金作為催化劑。該方法在某一溫度下將碳原子溶解在過渡金屬熔融物內(nèi)，然后在較低溫度下將溶解的碳沉淀為單層石墨烯(SLG)。與碳源接觸的金屬首先熔融，碳源可能是石墨坩堝(在該石墨坩堝內(nèi)進行熔融)或置于熔融物中的石墨粉/塊?；诮饘?碳二相圖表，保持熔融物在特定溫度下與碳接觸，這溶解了碳原子，使熔融物飽和。降低溫度則減少了碳的溶解度，并且過量的碳在熔融物頂部沉淀。漂浮層可以被撇去，或冷卻以稍后的去除。采用不同的形態(tài)(包括厚石墨)，在金屬基底上觀察到寡層石墨烯(FLG)和SLG。拉曼光譜法證實SLG已經(jīng)在鎳基底上生長。SLG拉曼光譜特征在于沒有D和D′帶，表明其本征性質(zhì)。因為鎳是非拉曼活性的，在鎳的頂部上的石墨烯層的直接拉曼光譜法是可實現(xiàn)的。另一方法將一片二氧化硅玻璃(基底)覆蓋在具有鎳膜的一側(cè)上。經(jīng)由化學(xué)氣相沉積而沉積的石墨烯在膜的兩側(cè)上形成為層，一層在暴露的頂側(cè)上，而一層在下側(cè)，即，夾在鎳和玻璃之間。剝?nèi)ユ嚭晚敳康氖?，留下在玻璃后面的介于中間的石墨烯層。盡管如在早先的方法中，可以從箔收集頂部石墨烯層，但是底部層已經(jīng)位于玻璃上。未評價附接的層的品質(zhì)和純度。銅該技術(shù)的改進采用了銅箔；在非常低的壓力下，在形成單石墨烯層之后自動停止石墨烯的生長?？梢援a(chǎn)生任意大的膜。單層生長還歸因于在甲烷中的碳的低濃度。諸如乙烷和丙烷的較大的烴產(chǎn)生雙層涂層。大氣壓CVD生長在銅上產(chǎn)生了多層石墨烯(與鎳類似)。在銅上生長的石墨中也已經(jīng)觀察到彈道傳輸。乙醇鈉高溫分解克量級的石墨烯通過下述而產(chǎn)生，即，由鈉金屬還原乙醇，然后對乙醇鹽產(chǎn)物高溫分解并用水清洗以去除鈉鹽。硅/鍺/氫浸漬在稀氫氟酸中的涂覆有鍺(Ge)層的正常硅晶圓剝?nèi)チ颂烊恍纬傻难趸N基團，產(chǎn)生氫封端的鍺?；瘜W(xué)氣相沉積在頂部上沉積石墨烯層。石墨烯可以從晶圓使用干法而剝?nèi)?，然后?zhǔn)備使用?？梢栽倮镁A。石墨烯是無褶皺的、高品質(zhì)和低缺陷的。納米管切片石墨烯可以通過切開碳納米管而產(chǎn)生。在一種此類方法中，通過高錳酸鉀和硫酸的作用，在溶液中切開多壁碳納米管。在另一方法中，通過部分地嵌在聚合物膜中的碳納米管的等離子蝕刻來產(chǎn)生石墨烯納米帶。二氧化碳還原高放熱反應(yīng)在與二氧化碳的氧化-還原反應(yīng)中燃燒鎂，產(chǎn)生包括石墨烯和富勒烯在內(nèi)的多種碳納米顆粒。二氧化碳反應(yīng)物可以是固體(干冰)或氣體。該反應(yīng)的產(chǎn)物是碳和氧化鎂。對于該方法，公開有第8,377,408號美國專利。旋涂在2014年，碳納米管增強石墨烯經(jīng)由旋涂并退火功能化碳納米管而制得。與傳統(tǒng)石墨烯相比，所得的材料是更牢固、柔韌和更有傳導(dǎo)性的。超音速噴射液滴通過拉伐爾噴嘴的超音速加速用于將懸浮液中的還原的石墨烯氧化物的小液滴沉積在基底上。液滴均勻分散，快速蒸發(fā)并且呈現(xiàn)降低的薄片聚集。此外，最初在薄片中的拓撲缺陷(Stone-Wales缺陷和C2空缺)消失。結(jié)果是更高品質(zhì)的石墨烯層。沖擊能量拉伸石墨烯并且將其碳原子重排成無需后處理的無缺陷六方石墨烯。下表提供了發(fā)明人已經(jīng)測試的石墨烯化合物的示例特性。密度(Kg/m3)1900聲速(m/s，縱波)700聲阻抗(MegaRayls)1.3導(dǎo)熱性，平面中(W/m*°K)600-1000比熱@25℃(J/g°K)0.7EMI屏蔽dB@1.0GHz50表面電阻(Ω/sq)0.06厚度(μm)20-50對于石墨烯的綜合參考書目，可以參見可在WIKIPEDIA上找到的引文。還參見K.S.Novoselov,A.K.Geim等人的Science306,666(2004)和Nature438,197(2005),“ScientificBackgroundontheNobelPrizeinPhysics2010”，由theClassforPhysicsoftheRoyalSwedishAcademyofSciences匯編,2010年10月5日,“IntroductiontothePhysicalPropertiesofGraphene”,Fuchs,MarkOliverGoerbig,LectureNotes2008，免費得自互聯(lián)網(wǎng)以下網(wǎng)址http://users.lps.u-psud.fr/GOERBIG/CoursGraphene2008.pdf,“GrapheneandGrapheneOxide:Synthesis,PropertiesandApplications”,Y.Zhu,S.Murali,W.Cai,X.Li,JiWonSuk,J.R.Potts,R.Ruoff,AdvancedMaterials,2010,XX,1-19。石墨烯目前用于電子裝置和電路的熱管理和高通量冷卻(參見，例如，第20100085713號美國專利公開申請)，但其聲屬性目前未被考慮。發(fā)明人已經(jīng)研究這些屬性并且發(fā)現(xiàn)其特別適于實現(xiàn)在超聲陣列換能器結(jié)構(gòu)內(nèi)的排熱裝置。其不僅是低聲阻抗的(假如其是傳統(tǒng)匹配層之一，則允許使用石墨烯層)，而且其表現(xiàn)得與良好的聲消除材料一樣(允許將其用作常用的背襯材料的填充物)。探頭的背襯是非常關(guān)鍵的，因為如果未適當(dāng)選擇所用的材料，則會由于聲阻抗錯配或內(nèi)反射和散射而成為造成圖像偽影的原因。發(fā)明人研究了這些方面。例如，測試了石墨-聚氨酯化合物，其表現(xiàn)出良好的排熱性能，但出現(xiàn)圖像偽影。石墨烯出乎意料地表現(xiàn)出作為熱導(dǎo)體和作為聲阻抗匹配元件二者的難以置信的改進。還發(fā)現(xiàn)石墨烯由于其化學(xué)和物理特性而特別可用作對液體的壁壘。實際上，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)這種材料發(fā)揮對醇的良好化學(xué)壁壘的作用，并且結(jié)果與卡普頓相當(dāng)。醇以及一般的消毒劑在超聲探頭中造成嚴重的問題，因為趨于滲透聲堆并攻擊性能逐漸損失的匹配層。使用石墨烯作為第一匹配層由此對于此方面也是有益的。盡管已經(jīng)參考診斷探頭來主要公開了本發(fā)明，但技術(shù)人員會認識到其教導(dǎo)也可以在治療方法以及更廣泛的無損檢測領(lǐng)域中得以應(yīng)用。特別與HIFU一樣在治療方法領(lǐng)域，陣列堆的結(jié)構(gòu)是不同的，因為其主要由環(huán)形元件形成，而且在此情形中，石墨烯基層可以被置于此類元件的前面和/或后面，以及側(cè)面，并且更一般地，在熱積累的任意位置處并因此可以排熱。還在此情形中，單獨地或與主動冷卻系統(tǒng)組合地，PCM可以用作熱變換器以暫時存儲熱。不背離本發(fā)明的指導(dǎo)原則的所有內(nèi)容在上文和以下權(quán)利要求中公開。當(dāng)前第1頁1 2 3