Първият в света начин за измерване на еластичността на материала използва лазерен ултразвук

Сподели

Учените, експериментиращи с авангардна ултразвукова техника, са измислили новаторски и невероятно прецизен начин за измерване на еластичността на материалите в микроскопичен мащаб. Въз основа на проследяването на звуковите вълни, когато те отскачат през отделни кристали, напредъкът може да има важни последици при разработването на материали от следващо поколение, с потенциални приложения в аерокосмическото инженерство и медицинските импланти.

Значението на този пробив е свързано с невероятно сложното подреждане на микроскопични кристали, които изграждат материали като метални сплави, които могат да варират по размер, форма и брой в милиони. Традиционно, измерването на връзката между напреженията и деформациите, известни като матрица на еластичност, на тези материали включва тяхното разрязване или отглеждането на само един кристал.

Но тези техники не могат да бъдат приложени към всеки материал, известен на науката, като титаниеви сплави, използвани в реактивните двигатели. Само малък процент от материалите са били измерени тяхната еластичност, което оставя много с техните точни свойства неизвестни.

„Много материали (като метали) са изградени от малки кристали“, каза Пол Драйбърг, съ-водещ в изследването от Университета в Нотингам. „Формата и твърдостта на тези кристали са от съществено значение за производителността на материала. Това означава, че ако се опитаме да дърпаме материала, както бихме направили пружина, разтегливостта зависи от размера, формата и ориентацията на всеки от тези стотици, хиляди или дори милиони кристали. Това сложно поведение прави невъзможно определянето на присъщата микроскопска твърдост. Това е проблем от повече от 100 години, тъй като ни липсваха адекватни средства за измерване на този имот.

Схема на експерименталното ултразвуково лазерно устройство на екипа

Университет на Нотингам

Учените вярват, че са намерили решение на тази дилема, като използват технология, известна като лазерен ултразвук. Когато традиционният ултразвук изпраща високочестотни звукови вълни в проба, като например човешка тъкан, и измерва звуците, които отскачат обратно, за да създадат изображение на пробата, лазерният ултразвук вместо това използва светлина за генериране на тези звукови вълни.

През 2019 г. видяхме учени от MIT да използват форма на лазерен ултразвук, за да генерират изображения на човешкото тяло без никакъв контакт с кожата, невъзможно с конвенционалния ултразвук. Сега изследователите от университета в Нотингам го използват, за да отворят някои вълнуващи възможности в науката за материалите.

Сканиране на титан, произведено чрез нова лазерна ултразвукова техника, наречена SRAS++, която има способността да измерва ориентацията и еластичността на отделните кристали, изграждащи материала
Сканиране на титан, произведено чрез нова лазерна ултразвукова техника, наречена SRAS++, която има способността да измерва ориентацията и еластичността на отделните кристали, изграждащи материала

Университет на Нотингам

Екипът разработи експериментално лазерно ултразвуково устройство, което може да генерира високочестотни вълни в малко пространство от около 200 микрометра – около ширината на две или три човешки косми. Лазерът изстрелва високоенергиен светлинен импулс към материала на пробата, който създава звукова вълна, която се движи по повърхността му и се проследява с вграден детектор, за да разкрие ориентацията на единичните кристали, заедно с тяхната еластичност. Също толкова впечатляваща е скоростта, с която технологията, наречена SRAS++, може да извършва тези измервания.

„Разработването на SRAS++ е забележителен пробив, защото предоставя първия метод за измерване на матрицата на еластичност, без да се знае разпределението на кристалите в материала“, каза професор Мат Кларк, който ръководи изследването. „SRAS не изисква взискателна подготовка на единичен кристал; той е бърз (хиляди измервания могат да се правят всяка секунда) и предлага несравнима точност на измерване. Скоростта на техниката е такава, че оценяваме, че бихме могли да повторим цялата историческа еластичност измервания на последните 100 години през следващите шест месеца.”

Сканиране на титан, произведен чрез нова лазерна ултразвукова техника, с различни цветове, представляващи различните скорости, с които звуковите вълни се движат по повърхността
Сканиране на титан, произведен чрез нова лазерна ултразвукова техника, с различни цветове, представляващи различните скорости, с които звуковите вълни се движат по повърхността

Университет на Нотингам

Екипът потвърди точността на устройството чрез експерименти върху чист никел, титан и сплав никел-CMSX-4, като екземплярите бяха избрани поради тяхната благосклонност сред аерокосмическите инженери. Учените обаче си представят, че SRAS++ позволява разработването на нови дизайнерски сплави с индивидуална твърдост, които могат да намерят приложение не само в самолети, но и в протезни устройства с еластичност, която съответства на човешкото тяло.

Изследването е публикувано в списанието Acta Materialia.

Източник: Университет на Нотингам



Публикациите се превеждат автоматично с google translate


Сподели