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世界上第一种使用激光超声波测量材料弹性的方法

2022-02-18 10:48:06 厦门天研仪器有限公司 阅读 933

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该团队的实验超声激光装置示意图诺丁汉大学


这一突破的意义在于,组成金属合金等材料的微观晶体排列极其复杂,其大小、形状和数量可能千差万别。传统上,测量这些材料的应力和应变之间的关系,被称为弹性矩阵,需要将它们切割或生长成单晶。


但这些技术并不能应用于所有已知的科学材料,比如喷气发动机中使用的钛合金。只有一小部分材料的弹性得到了测量,这使得许多材料的确切性能不得而知。


“许多材料(如金属)是由小晶体组成的,”诺丁汉大学的这项研究的共同负责人 Paul Dryburgh 说。“这些晶体的形状和刚度对材料的性能至关重要。这意味着,如果我们试图拉动材料,就像拉弹簧一样,拉伸性取决于这些数百、数千甚至数百万晶体中的每一个的大小、形状和方向。这种复杂的行为使得无法确定固有的微观刚度。100 多年来,这一直是个问题,因为我们缺乏足够的方法来衡量这一属性。”


科学家们相信,通过利用一种称为激光超声的技术,他们已经找到了解决这一难题的方法。传统超声波将高频声波发送到人体组织等样本中,并测量反弹回来的声音以创建样本图像,而激光超声波则使用光来产生这些声波。


2019 年,我们看到麻省理工学院的科学家们使用一种激光超声波在没有任何皮肤接触的情况下生成人体图像,这是传统超声波无法做到的。现在诺丁汉大学的研究人员已经用它在材料科学中开辟了一些令人兴奋的可能性。


该团队设计了一种实验性激光超声设备,可以在大约 200 微米的微小空间内产生高频波——大约是两到三根人类头发的宽度。激光向样品材料发射高能光脉冲,产生沿其表面传播的声波,并由内置探测器跟踪,以揭示单晶的方向及其弹性。同样令人印象深刻的是被称为 SRAS++ 的技术可以进行这些测量的速度。


“SRAS++ 的开发是一个显著的突破,因为它提供了第一种在不知道材料中晶体分布的情况下测量弹性矩阵的方法,”共同领导该研究的Matt Clark教授说。“SRAS 不需要对单晶进行严格的制备,它速度很快(每秒可以进行数千次测量)并提供无与伦比的测量精度。该技术的速度如此之快,以至于我们估计,我们可以在未来6个月内重复过去100年的所有历史弹性测量。”


该团队通过对纯镍、钛和镍-CMSX-4 合金的实验验证了该设备的准确性,并选择了适合航空航天工程师的样本。科学家们认为,SRAS++能够开发出具有定制刚度的新型设计合金,这种合金不仅可以用于飞机,还可以用于具有与人体匹配的弹性的假肢设备。