科學(xué)家利用激光超聲波技術(shù)精確測量材料彈性
科學(xué)家們在試驗一種尖端的超聲波技術(shù)時想出了一種測量微觀尺度上的材料彈性的精確方法。該方法相當具有突破性。據(jù)悉，基于對聲波在單個晶體上反彈的追蹤，這一進展可能對下一代材料的開發(fā)產(chǎn)生重要影響并有可能應(yīng)用于航空航天工程和醫(yī)療植入物領(lǐng)域。 k=7Gr;;l=p
ufCqvv>'
[attachment=110952] NGD*ce"w
鈦合金的SRAS掃描 y-#
這一突破的意義跟構(gòu)成金屬合金等材料的微觀晶體的復(fù)雜排列有關(guān)，這些晶體的大小和形狀各不相同，其數(shù)量可達數(shù)百萬。傳統(tǒng)上，測量這些材料的應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系即所謂的彈性矩陣需要將它們切開或生長出一個晶體。但這些技術(shù)并不能應(yīng)用于科學(xué)上已知的每一種材料，如噴氣式發(fā)動機中使用的鈦合金。只有一小部分材料對其彈性進行了測量，這使得許多材料的確切屬性不明。 N\q)LM !M
Mi}I0yhVm
“許多材料（如金屬）是由小晶體組成的，”來自諾丁漢大學(xué)、這項研究的負責人Paul Dryburgh指出，“這些晶體的形狀和硬度對材料的性能至關(guān)重要。這意味著，如果我們試圖拉動材料，就像拉動彈簧一樣，拉伸度取決于這些數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)百萬晶體中每一個的大小、形狀和方向。這種復(fù)雜的行為使得我們無法確定固有的微觀剛度。100多年來，這一直是一個問題，因為我們一直缺乏足夠的手段來測量這一特性。” u <]mv
YN@6}B#1
[attachment=110951] A/"}Y1#qX\
科學(xué)家們相信他們已經(jīng)找到了解決這一難題的辦法，即利用一種被稱為激光超聲波的技術(shù)。傳統(tǒng)的超聲波將高頻聲波送入樣本如人體組織，然后測量反彈回來的聲音以創(chuàng)建一個樣本的圖像，而激光超聲波則使用光來產(chǎn)生這些聲波。 BMNr<P2li
,? k%jcR
2019年，麻省理工的科學(xué)家使用一種激光超聲的形式在不接觸皮膚的情況下生成人體的圖像，這在傳統(tǒng)的超聲中是不可能實現(xiàn)的�，F(xiàn)在，諾丁漢大學(xué)的研究人員則用它在材料科學(xué)領(lǐng)域開辟了一些令人興奮的可能性。 &$c5~9p\B
o-~~,n\
該團隊設(shè)計了一個實驗性的激光超聲裝置，它可以在約200微米的微小空間內(nèi)產(chǎn)生高頻波--約是兩三根人類頭發(fā)的寬度。激光器向樣品材料發(fā)射一個高能量的光脈沖從而產(chǎn)生一個沿其表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ硗馔ㄟ^一個內(nèi)置的檢測器進行跟蹤以揭示單晶的方向及其彈性。同樣令人印象深刻的是這項被稱為SRAS++的技術(shù)能進行這些測量的速度。 >`89N'lZBm
!&`}]qQZ
[attachment=110950] #%^\\| 'z
“SRAS++的開發(fā)是一個顯著的突破，因為它提供了第一個在不知道材料中晶體分布的情況下測量彈性矩陣的方法，”共同領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Matt Clark教授說道，“SRAS不需要對單個晶體進行精確的準備；它是快速的（每秒可以進行數(shù)千次測量）并提供無與倫比的測量精度。該技術(shù)的速度是這樣的，我們估計我們可以在未來六個月內(nèi)重復(fù)過去100年的所有歷史彈性測量�！� k(EMp1[:nN
mF'-Is
截止到目前，該團隊通過在純鎳、鈦和鎳-CMSX-4合金上的實驗驗證了該設(shè)備的準確性。而之所以選擇這些標本是因為它們在航空航天工程師中的地位。不過科學(xué)家們設(shè)想著SRAS++能幫助開發(fā)出具有定制硬度的新設(shè)計合金，這將不僅可以在飛機上使用還可以用于具有跟人體相匹配的彈性的假肢設(shè)備。 4TUtY:
SFn 3$ rh
相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2022-02-elasticity-materials.html
|
激光超聲技術(shù)的新應(yīng)用