авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Содержание

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН

Физическая акустика

УДК 534.2

И.Е.Кузнецова, Б.Д.Зайцев*, А.А. Теплых*, D.Manga**, G. Feuillard**

СОЗДАНИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА

АНТИСИММЕТРИЧНЫХ ВОЛНАХ ЛЭМБА В ПЬЕЗОПЛАСТИНАХ

Институт радиотехники и электроники РАН 125009 Москва, ул.Моховая 11, корп.7 Тел. (495)6293361;

E-mail: kuziren@yandex.ru *Саратовский филиал Института радиотехники и электроники РАН 410019 Саратов, ул. Зеленая 38 Тел./Факс : (8452)277323/(8452)272401;

zai-boris@yandex.ru **Universite Francois Rabelais de Tours, Rue de la Chocolaterie, BP 3410 41034 Blois Cedex France Tel.: +33(0)254558444;

e-mail: gfeuillard@univ-tours.fr Как известно, для возбуждения и приема акустических волн в жидкости можно использовать антисимметричные волны Лэмба нулевого порядка (А0). В настоящей работе предложено использовать в качестве согласующих слоев нанокомпозитные полимерные материалы, которые обладают низким акустическим импедансом по сравнению с известными пьезоэлектрическими кристаллами. Было проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния нанокомпозитных полимерных слоев на эффективность и угол излучения ультразвука в жидкость. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в случае использования в качестве промежуточного слоя между пластиной 128YX LiNbO и водой нанокомпозитного полимерного материала на основе полиэтилена высокого давления с наночастицами сульфида кадмия 30% возможно достичь улучшения эффективности излучения на ~1.6 дБ по мощности при соотношении толщин слоя и пластины d/h=0.154 при f=1.3 МГц. Показано также, что присутствие нанокомпозитной пленки приводит к увеличению угла излучения объемной акустической волны (ОАВ) в жидкость и позволяет данным излучателям функционировать не только в пресной, но и в соленой воде.

Полученные результаты могут быть использованы для разработки эффективных излучателей/приемников акустической волны в жидкость, которые могут использоваться для создания расходомеров жидкости, а также применяться в качестве основных элементов подводных систем связи.

1. Введение Как известно [1, 2], гидроакустический преобразователь представляет собой колебательную систему, предназначенную для излучения и приема акустических сигналов в водной среде.

В качестве основного элемента такого преобразователя чаще всего используются пьезоэлектрические резонаторы на продольных объемных акустических волнах (ОАВ) различной формы. Основной их особенностью является использование двух электродов, один из которых наносится на внешнюю излучающую сторону резонатора. К недостаткам вышеуказанных устройств можно отнести необходимость изоляции внешнего электрода от жидкости, одночастотный характер работы, необходимость использования согласующих слоев для повышения эффективности излучения ультразвука в жидкость, узкую полосу пропускания и большое подводимое электрическое напряжение. Следует также отметить, что, например, для измерения скорости жидкости излучение ультразвука должно происходит под углом к потоку и при использовании для этих целей резонаторов на ОАВ возникают проблемы с их установкой в каналах и трубах [3]. Это связано с тем, что резонатор на ОАВ излучает ультразвук перпендикулярно своей плоскости.

Известно также, что существуют волноводные излучатели/приемники, основанные на использовании цилиндрических волн [4], поверхностных волн Рэлея [3, 5] и антисимметричных волн Лэмба нулевого порядка [6] (А0), распространяющихся в пьезоэлектрических пластинах. Эти устройства не требуют использования согласующих слоев, поскольку волновой вектор волны в жидкости направлен под некоторым углом к волновому вектору бегущей волноводной моды. Особый интерес представляют собой излучатели/приемники на А0 волнах в пластинах. Во-первых, излучающая сторона таких устройств свободна от возбуждающей электродной структуры, что существенно облегчает их гидроизоляцию. Во вторых, эта волна при прочих равных условиях обладает наибольшей эффективностью, поскольку ее максимальная компонента механического смещения всегда нормальна к поверхности пластины и ее распространение в контакте с жидкостью может сопровождаться большим затуханием, связанным с интенсивным излучением объемной акустической волны в жидкость. При этом фазовая скорость волны в структуре «пластина – жидкость» V, должна быть больше, чем скорость ОАВ в жидкости Vlq. Если же наблюдается противоположная ситуация Vlq V, то затухание волны, связанное с излучением в жидкость, полностью отсутствует. Известны работы, в которых этот факт экспериментально подтвержден [7, 8].

Существуют также работы, в которых приводится описание методики расчета указанных волн как для Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика случая контакта пластины с жидкостью только с одной стороны, так и для случая контакта - с обеих сторон [7]. В работе [9] приведены теоретические и экспериментальные результаты по исследованию диаграммы направленности волноводного излучателя на А0 волне, распространяющейся в пластине из пьезокерамики ЦТС-19. Известны также теоретически полученные данные, которые показывают, что при использовании нанокомпозитных полимерных материалов на основе матрицы полиэтилена высокого давления с внедренными в нее наночастицами металлов и их оксидов в качестве согласующих слоев между пьезоэлектрической пластиной и жидкостью, эффективность излучения A0 волны в жидкость будет возрастать [10].

В настоящей работе теоретически и экспериментально исследуется влияние нанокомпозитных полимерных слоев на угол и эффективность излучения ультразвука в жидкость при распространении А волны в структуре «пластина ниобата лития– нанокомпозитный слой – жидкость». Рассматривается также влияние проводимости жидкости на указанные характеристики.

2. Основные уравнения и граничные условия.

Геометрия задачи представлена на рис. 1. Волна распространяется вдоль оси x1 пьезоэлектрической пластины, ограниченной плоскостями x3 = 0 и x3 = h. Нанокомпозитная полимерная пленка расположена между плоскостями x3 = 0 и x3 = -d. Мы предполагаем, что указанная пленка является вязкой, непроводящей и изотропной. В областях x3 -d и x3 h находятся жидкость и вакуум, соответственно. Мы рассматриваем двумерную задачу, в которой все компоненты поля являются постоянными в направлении x2. Для анализа распространения волны будем использовать уравнение движения, уравнение Лапласа и материальные уравнения для пьезоэлектрической среды, полимерной пленки и жидкости [11, 12]:

2U i t 2 = Tij x j, D j x j = 0, (1) Жидкость -d Tij = C ijkl U l x k + e kij x k, (2) пленка D j = jk x k + e jlk U l x k, (3) x Пьезоэл.

U i t = Tijf x j, D jf x j = 0, f 2 f (4) пластина U l x k + = U l U l tx k, f f f f f Tijf (5) C ijkl ijkl h Вакуум = x k, f D jf f (6) jk x3 t = Tijlq x j, D lq x j = lq U ilq (7) j Рис.1. Геометрия задачи = x k.

= U llq x k, lq lq Tijlq D lq lq (8) C ijkl j jk Здесь Ui – компоненты механического смещения частиц;

t – время;

Tij – компоненты механического напряжения;

xj – координата;

Dj – компоненты электрической индукции;

– электрический потенциал;

– плотность;

C ijkl, ijkl, eikl и jk – упругие, вязкие, пьезоэлектрические и диэлектрические постоянные, соответственно. Индексы f и lq означают принадлежность переменной к полимерной нанокомпозитной пленке или к жидкости, соответственно. Поскольку рассматриваемая нанокомпозитная пленка является вязкоупругой, то из уравнения (5) следует, что ее модули упругости являются комплексными и их мнимая часть равна ijkl для гармонических волн.

В области, занятой вакуумом, электрическая индукция должна удовлетворять уравнению Лапласа:

D V x j = 0, (9) j где D j = 0 x j. Здесь 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, индекс v означает, что V V величины относятся к вакууму.

Акустические волны, распространяющиеся в вышеуказанной структуре должны удовлетворять механическим и электрическим граничным условиям:

x3=-d: U 3 = U 3f ;

T33 = T33 ;

T13 = T23 = 0 ;

lq = f ;

D3 = D3.

lq lq f f f lq lq (10) x3=0: U i f = U i ;

Ti 3f = Ti 3 ;

f = ;

D3f = D3 ;

(11) x3=h: Ti 3 = 0 ;

= II ;

D3 = D3II. (12) Здесь i=13, d и h – значения толщины нанокомпозитной пленки и пьезоэлектрической пластины, Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика соответственно.

Мы использовали материальные постоянные LiNbO3 из [13]. Материальные постоянные нанокомпозитной полимерной пленки, содержащей наночастицы CdS, были взяты из [14].

3. Теоретические результаты В результате проведенных расчетов были получены зависимости скорости и затухания на длину волны от отношения толщин пленки и пластины для A0 волны в структуре «пластина 128YX LiNbO3 – нанокомпозитная пленка - жидкость». Исследовались нанокомпозитные пленки с различной концентрацией наночастиц CdS и Fe. На рис. 2 в качестве примера приведены зависимости скорости (а) и затухания (б) А0 волны от отношения d/h для концентрации наночастиц CdS в полимерной пленке 30% при параметре hf = 650 м/с (кривая 1). Для сравнения на этом же рисунке приведены аналогичные зависимости для структуры «пластина 128YX LiNbO3 – нанокомпозитная пленка с CdS 30%» (кривая 2).

Кроме того, здесь же приведены величины скорости и затухания A0 волны в структуре «пластина 128YX LiNbO3 – жидкость» (кривая 3). Для расчетов в качестве жидкости использовались материальные постоянные воды.

2400 Г, дБ/l V, м/с 2300 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0. d/h d/h б а Рис.2. Зависимости скорости (а) и затухания (б) А0 волны от отношения d/h в структуре «пластина 128YX LiNbO3– нанокомпозитная пленка с 30% концентрацией наночастиц CdS - жидкость» при параметре hf = м/с (1) и в структуре «пластина 128YX LiNbO3 – нанокомпозитная пленка с 30% концентрацией наночастиц CdS» (2). Значения скорости и затухания A0 волны в структуре «пластина 128YX LiNbO3– жидкость» (3).

Анализ полученных результатов показал, что использование в качестве промежуточного слоя между пьезоэлектрической пластиной и жидкостью нанокомпозитного материала позволяет улучшить эффективность излучения акустической мощности в жидкость. Из рис.2 видно, что при использовании в качестве промежуточного слоя нанокомпозитного полимерного материала на основе матрицы полиэтилена высокого давления с наночастицами сульфида кадмия с 30% концентрацией возможно достичь улучшения эффективности излучения на 1.54 дБ/ по мощности при соотношении толщин слоя и пластины d/h=0.154 при f=1.3 МГц. Как видно из рис.2 затухание для А0 волны в структуре «пластина 128YX LiNbO3 -жидкость» составляет 1.5, а для структуры «пла дБ/ стина 128YX LiNbO3 – нанокомпозитная пленка - жидкость» эта величина равна 2.93. Следует отметить, что при hf=650 м/с и d/h = 0.154 нанокомпозитный слой с наночастицами CdS 30% концентрации, контактирующий с пластиной 128YX ниобата лития, за счет своей вязкости приводит к возникновению затухания А0 волны однако величина этого затухания меньше указанной выше разницы и составляет 0.46 дБ/.

Было также обнаружено, что в случае использования других типов наночастиц с различными концентрациями эффективность излучения в жидкость может быть увеличена еще больше. Например, при использовании пленок с наночастицами железа 25% концентрации затухание может составить 4.7 дБ/ при d/h=0.259.

4. Экспериментальные результаты Для проверки теоретических результатов был создан измерительный прибор (рис.3), который состоял из излучателя 1 и приемника 2, расположенных на расстоянии h друг от друга и смещенных на расстояние L, так чтобы угол удовлетворял условию cos = V1/V2. Здесь V1– скорость акустической волны в жидкости, V2– скорость А0 волны. Излучатель представлял собой пластину ниобата лития 128 Y –среза с поперечными размерами 25 25 мм 2 толщиной 0.5 мм [15].

На нижней стороне этой пластины методом фотолитографии был нанесен встречно-штыревой преобразователь (ВШП), состоящий из 5 пар штырей с апертурой 15 мм и периодом 2 мм. Этот Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика преобразователь возбуждал антисимметричную волну нулевого порядка А0 на частоте ~1.3 МГц, распространяющуюся вдоль кристаллографической оси X. При контакте верхней стороны пластины с жидкостью А0 волна излучала объемную акустическую волну в жидкость под указанным выше углом. Для компенсации емкости ВШП и согласования с подводящим кабелем использовались индуктивность мкГн и согласующий трансформатор 1:25, соответственно. Пластина приклеивалась к специальному герметичному корпусу, который предохранял ВШП и электрические элементы от контакта с жидкостью.

Приемный преобразователь имел точно такую же Выход L конструкцию, что и излучатель. Излучатель и приемник располагались на специальной оправке, содержащей микрометрические элементы, которые позволяли прецизионно менять взаимное их расположение.

h Указанная конструкция помещалась в воду и подключалась к измерителю S- параметров типа Е5071С. С помощью микрометрических элементов 1 подбиралось такое взаимное расположение излучателя и приемника, при котором обеспечивалось Вход минимальное затухание.

На рис. 4а представлена частотная зависимость Рис. 3 – Схема измерительного устройства полных потерь при отсутствии нанокомпозитного слоя, из которой видно, что минимальное затухание равно 12.38 дБ.

- - Вносимые потери, дБ - Вносимые потери, дБ - - -20 - - - - - - -35 - - - 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1. 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1. f, МГц f, МГц б а Рис.4. Частотная зависимость полных потерь в системе «излучатель – жидкость - приемник» при отсутствии (а) и присутствии (б) нанокомпозитного слоя с наночастицами CdS 30% на излучающей поверхности пластины 128YX ниобата лития.

Затем на внешнюю сторону пластины ниобата лития одного из преобразователей с помощью клея RTV-162 была наклеена пленка толщиной 0.08 мм из полиэтилена высокого давления с внедренными в нее наночастицами сульфида кадмия с концентрацией 30%. Полученная для этого случая частотная зависимость полных потерь представлена на рис. 4б. Видно, что минимальное затухание оказалось равным 10.8 дБ, что на 1.6 дБ меньше, чем в эксперименте без нанокомпозитной пленки. Этот эксперимент качественно подтвердил теоретически ожидаемый вывод о том, что присутствие нанокомпозитного слоя должно привести к увеличению эффективности излучения/ приема акустической волны в жидкости. Теоретически ожидаемый выигрыш на длину волны ~1 дБ/ при длине излучателя дает ~8дБ. Полученное расхождение связано с тем, что в теории не учтено влияние тонкого слоя клея, который присутствует в эксперименте, и влияние встречно-штыревого преобразователя.

Был также проведен эксперимент по измерению акустического поля, создаваемого вышеуказанным излучателем в воде в диапазоне f=1-1.8 МГц. Для этой цели использовалась установка, детально описанная в [16]. На вход ВШП подавался электрический импульс с выхода системы Ritec Ram System 5000, которая позволяла изменять такие параметры, как частота, количество циклов в импульсе и импульсную мощность. В процессе измерений этот радиоимпульс содержал 10 ВЧ периодов и имел амплитуду 60В. Акустическое поле регистрировалось игольчатым гидрофоном с диаметром 0.5 мм, который был в 40 раз меньше чем длина волны в воде в указанном выше диапазоне частот. Излучатель Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика располагался на специальной раме, содержащей подвижную платформу, к которой крепился гидрофон, и вся эта конструкция была погружена в резервуар с водой. Положение платформы регулировалось с помощью компьютера, что позволяло сканировать акустическое поле в заданной сетке YX в плоскости, параллельной плоскости излучателя. Указанная сетка имела размеры 67.5 мм с шагом 2.5 мм вдоль оси Z и 140 мм с шагом 5 мм вдоль оси Y. Расстояние между гидрофоном и плоскостью излучателя составляло мм. В каждой ячейке сетки регистрировался выходной сигнал с выхода гидрофона как функция времени.

Регистрация осуществлялась с помощью цифрового осциллографа. Результатом дальнейшей обработки являлась матрица размером 30 28, в каждой ячейке которой содержалось максимальное значение выходного сигнала. Анализ указанной матрицы позволил определить угол максимального излучения акустической волны в воде в зависимости от частоты. На рис.5 приведены зависимости этого угла, полученные теоретически и экспериментально.

Видно, что присутствие пленки приводит к увеличению угла излучения объемной акустической волны в жидкость. Таким образом, меняя параметры материала пленки можно управлять углом излучения волны.

60 Угол, град.

Угол, град.

1 1.2 1.4 1.6 1. 1 1.2 1.4 1.6 1. f, МГц f, МГц б а Рис.5. Теоретические (а) и экспериментальные (б) зависимости угла излучения ОАВ в жидкость от частоты в присутствии нанокомпозитной пленки (1) и при ее отсуствии (2).

Также экспериментально было показано, что присутствие нанокомпозитной пленки позволяет исследуемому излучателю эффективно работать в проводящей жидкости.

Проведенное теоретическое и экспериментальное исследование показывает перспективность применения нанокомпозитных пленок на основе полиэтилена высокого давления для создания эффективных излучателей/приемников акустической волны в жидкость. Данные излучатели могут использоваться как во внутренних водоемах с пресной водой, так и в водоемах с соленой водой. Подобные преобразователи могут использоваться для создания расходомеров жидкости, а также применяться в качестве основных элементов подводных систем связи.

5. Выводы В работе теоретически и экспериментально исследована возможность использования А0 волн Лэмба для создания излучателей/приемников ультразвука в жидкость. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что в случае использования в качестве промежуточного слоя нанокомпозитного полимерного материала на основе матрицы полиэтилена высокого давления с наночастицами сульфида кадмия 30% концентрации возможно достичь улучшения эффективности излучения на ~1.6 дБ/ по мощности при соотношении толщин слоя и пластины d/h=0.154 при f=1.3 МГц.

Показано также, что присутствие нанокомпозитной пленки приводит к увеличению угла излучения объемной акустической волны в жидкость. Экспериментально показано, что присутствие пленки позволяет данным излучателям функционировать не только в пресной, но и в соленой воде. Полученные результаты могут быть использованы для разработки эффективных излучателей/приемников акустической волны в жидкость, которые могут использоваться для создания расходомеров жидкости, а также применяться в качестве основных элементов подводных систем связи.

Работа поддержана Минобрнауки РФ ГК 14.740.11.0645, ГК 07.514.11.4080, РФФИ 10-02-01313, Научной школой НШ- 4732.2012.9.

ЛИТЕРАТУРА 1. Physical principles of medical ultrasonics, Ed.: C.R.Hill. Chichester: Ellis Horwood, 1986.

2. Rajendran V., Palanichami P. and Raj B., Science and technology of Ultrasonics, Narosa Publishing House, New Delhi, 2003.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика 3. Joshi S.G., Zaitsev B.D. Low-profile transducer for flow meters US Patent No. 6, 609, 430 B1. 4. Maltzev Yu., Prokopchik S. Underwater sound waveguide running wave transducers for shallow water acoustics // SWAC’97. – 1997.- P.615- 5. Joshi S. G., Zaitsev B. D., Kuznetsova I. E. Miniature, high efficiency transducers for use in ultrasonic flow meters // Journ. of Applied Phys. – 2009 – V.105. – N3. – 034501.

6. Joshi S. G., Zaitsev B. D., Kuznetsova I. E. Efficient mode conversion transducers for use in ultrasonics flow meters // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp. – 2009. – P.1491-1494.

7. Kuznetsova I.E., Zaitsev B.D., Joshi S.G., Teplykh A.A., Effect of a liquid on the characteristics of antisymmetric lamb waves in thin piezoelectric plates// Acoustical Physics.- 2007.- V.53.- N5.-P. 557–563.

8. Watkins R.D., Cooper W.H.B., Gillespie A.B., Pike R.B. The attenuation of Lamb waves in the presence of a fluid // Ultrasonics. – 1982. – V.20. – P.257-264.

Кузнецова И.Е.,Зайцев Б.Д., Бородина И.А., Колесов В.В., Скнаря А.И., Петрова Н.Г., Носов А.В. Диаграмма 9.

направленности гидроакустического излучателя на основе А0 волн Лэмба в пьезокерамической пластине // Радиотехника и электроника.- 2011.- №11.- С.1403-1408.

Кузнецова И.Е.,Зайцев Б.Д., Бородина И.А.,Кузнецова И.Е. Антисимметричные волны Лэмба нулевого 10.

порядка в структуре «пьезоэлектрическая пластина – нанокомпозитный слой – жидкость» // Труды XXIV сессии РАО, 12-15 сент.2011, г.Саратов.- 2011.- Т.1.- С.70-73.

11. A.A. Oliner (Ed.), “Acoustic Surface Waves,” Topics in Applied Physics, vol. 24, Springer-Verlag, Berlin, 1978, Chap. 12. L.M. Brekhovskikh, Waves in layered media. New York: Academic Press, 1980.

Kovacs G., Anhorn M., Engan H.E., Visintini G., and Ruppel C.C.W.. Improved material constants for LiNbO3 and 13.

LiTaO3 //Proc. IEEE Ultrasonics Symp. – 1990. – V.1. – P. 435-438.

Кузнецова И.Е., Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М. Влияние плотности материала наночастиц на акустические 14.

параметры нанокомпозитных полимерных материалов// Письма в ЖТФ.- 2010.- Т.36.- №16.- С.48- 15. Joshi S.G., Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E. Efficient mode conversion transducers for use in ultrasonics flow meters // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp.- 2009.- P.1491 – 1494.

16. E. D. Manga, L. Haumesser, B. Morvan, A-C. Hladky-Hennion, E. Le Clzio Experimental exploration of imaging properties of a two-dimensional flat lens made of phononic crystals. // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symp. 2011. (publishing).

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика УДК 536. Б.Зайцев1,O. Diallo2, G. Feuillard ПРИМЕНЕНИЕ ВАРИАЦИОННОГО МЕТОДАДЛЯОЦЕНКИВЯЗКОСТИТВЕРДЫХМАТЕРИАЛОВ Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН 410019 Саратов, ул. Зеленая 38, Тел./Факс: +7(8452)272401, e-mail: zai-boris@yandex.ru Universite Francois Rabelais de Tours, Rue de la Chocolaterie, BP 41034 Blois Cedex France, Tel.: +33(0)254558444, Fax: +33(0)254558445, e-mail: gfeuillard@univ-tours.fr В течение длительного времени для анализа механических колебаний образцов с конечными размерами и для определения их материальных констант широко используются вариационные методы. Для этой цели наиболее часто применяется метод Рэлея- Ритца, который предполагает представление механического смещения и электрического потенциала в виде линейной комбинации базисных функций с неизвестными коэффициентами.

С его помощью можно определить собственные резонансные частоты, а также распределение амплитуды механического смещения и электрического потенциала для изучаемого образца. Однако указанные расчеты проводились без учета потерь энергии механических колебаний, поскольку существовало мнение, что для диссипативных систем нельзя сформулировать вариационный принцип, аналогичный принципу наименьшего действия Гамильтона. Тем не менее, в последнее время стали появляться работы, в которых показана возможность формулировки такого принципа для диссипативных систем, в частности для гидродинамики. В настоящей работе проведено экспериментальное исследование частотной зависимости электрического адмиттанса для ряда пьезоэлектрических образцов в форме куба с двумя металлизированными противоположными гранями с целью выявления резонансных частот и оценки величины добротности. Далее вариационным методом был проведен теоретический анализ этих колебаний и путем сравнения с экспериментальными данными для образцов из керамики PZ27, PMN34.5%PT и PZ26 были оценены коэффициенты вязкости, которая рассматривалась как основной и единственный источник механических потерь.

К настоящему времени для анализа механических колебаний пьезоэлектрических образцов с конечными размерами и для определения их материальных констант широко используется вариационный метод [1-8]. В егооснове лежит подход Рэлея - Ритца, который предполагает представление искомых функций (механическое смещение и электрический потенциал) в виде линейной комбинации базисных функций с неизвестными коэффициентами. С его помощью можно определить собственные резонансные частоты образцов, а также распределение амплитуды механического смещения и потенциала в изучаемом образце. Показаны возможности вариационного метода применительно к образцам в форме параллелепипеда [2,4-8] и в форме круглых дисков [1,3]. В первом случае в качестве базисных функций использовались полиномы Лежандра, а во втором случае функции Бесселя. Показана возможность учета электродов на некоторых сторонах образца и получены выражения для случаев, когда электроды являются электрически замкнутыми и электрически свободными. Продемонстрирована возможность полного определения всех упругих, пьезоэлектрических и диэлектрических свойств материала на примере оливина [5],монокристалла кварца [6] икристалла PZN-12%PT [8].Однако во всех этих работах расчеты проводились без учета потерь энергии механических колебаний, поскольку до недавнего времени существовало мнение, что для диссипативных систем нельзя сформулировать вариационный принцип, аналогичный принципу наименьшего действия Гамильтона [9,10]. Однако в последнее время стали появляться работы, в которых показана возможность формулировки такого принципа для диссипативных систем, например,такая возможность показана для диссипативной гидродинамики [10]. В настоящей работепредпринята первая попытка применить вариационный метод для оценки коэффициентов вязкости твердых тел. Для этой цели вначале было проведено экспериментальное исследование частотной зависимости электрического адмиттанса пьезоэлектрических образцов в форме куба с целью определения резонансных частот и оценки величины добротности. Далее вариационным методом был проведен теоретический анализ этих колебаний и путем сравнения с экспериментальными данными для ряда материалов были оценены коэффициенты вязкости, которая рассматривалась как единственный источник механических потерь.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика Таким образом, вначале проводилось измерение частотных зависимостей электрического адмиттанса образцов кубической формы из различных типов пьезокерамики с помощью измерителя Agilent 4395A. Для этой цели образцы, имеющие тонкие металлические электроды на торцах, перпендикулярные полярной оси X3, помещались в специальное устройство, обеспечивающее электрический контакт с помощью прижимных электродов. Специальное микрометрическое устройство позволяло обеспечивать одинаковое силу прижима для всех изучаемых образцов независимо от их размеров, что сохраняло все калибровочные установки в ходе измерений. Были проведены эксперименты с многочисленными образцами и с различными типами керамики.

0,004 0, 0,003 0, Re G, С Im G, С 0,002 0,001 -0, 0,000 -0, 280 290 300 310 320 280 290 300 310 Частота, кГц Частота, кГц 0,040 0, 0,030 0, Re G, C Im G, С 0,020 0,010 -0, 0,000 -0, 124 125 126 127 128 129 122 124 126 128 Частота, кГц Частота, кГц 0, 0, 0, 0, Re G, С 0, Im G, С 0,02 -0, -0, 0 -0, 90,2 90,4 90,6 90,8 91 91,2 90,2 90,7 91, Частота, кГц Частота, кГц а б Рис.1. Частотные зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей электрического адмиттанса для образцов из керамики PZ27 (верхний ряд), PMN34.5%PT (средний ряд) и PZ26 (нижний ряд).

На рис. 1 представлены частотные зависимости реальной (а) и мнимой (б) частей электрического адмиттанса для образцов из керамики PZ27, PMN34.5%PT и PZ26. Указанные зависимости позволили определить резонансные частоты и значения добротности для этих частот (по уровню 0.707 от максимального значения). Эти данные, а также размеры образцов, представлены в таблице 1.

Таблица Материал Размеры, мм3 Резонансная частота, Гц Добротность PZ27 444 299462.5 PMN34.5%PT 101010 126668.75 PZ26 14.914.9315.01 90697.969 Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика Далее для теоретического анализа использовался следующий подход. Как известно [11], затухание механических колебаний и акустических волн можно анализировать, используя понятия вязкости.

Вязкость характеризуется коэффициентом вязкости, который является тензором 4 ранга и имеет такую же симметрию, что и модули упругости. В этом случае для гармонического колебания на фиксированной частоте f в материальном уравнении для механического напряжения Tijмодуль упругости становится комплексным, и мнимая часть модуля упругости оказывается равной произведению круговой частоты и соответствующего коэффициента вязкости:

uk 2u k uk ( ) + ijkl emij Em =cijkl + iijkl Tij =ijkl emij Em.

c xl t xl xl 1.E+ 1.E+ Затухание, дБ/период 1.E+01 1.E- (f-f0)/f0, % 1.E-03 1.E- 1.E-07 1.E- 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+ Im C33, Н/м2 Im C33, Н/м 1.E+05 1.E+ Затухание, дБ/период 1.E+ 1.E- 1.E- (f-f0)/f0, % 1.E- 1.E- 1.E- 1.E- 1.E+05 1.E+07 1.E+09 1.E+ 1.E+05 1.E+07 1.E+09 1.E+ Im C33, Н/м Im C33, Н/м 1.E+04 1.E+ Затухание,дБ/период 1.E+ 1.E- 1.E- (f-f0)/f0, % 1.E- 1.E- 1.E-08 1.E- 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+10 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+ Im C33, Н/м2 Im C33, Н/м а б Рис.2. Зависимости относительного изменения резонансной частоты (а) и затухания на один период колебаний (б) от мнимой части модуля упругости Imс33 для образцов из пьзокерамики PZ27 (верхний ряд), PMN34.5%PT (средний ряд) и PZ26 (нижний ряд).

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика Здесьcijkl - модуль упругости, uk- компонента механического смещения, t- время, xl- пространственная координата, ijkl - коэффициент вязкости, emij- пьезоэлектрическая постоянная, Em- напряженность электрического поля, i- мнимая единица, =2f- круговая частота.

Очевидно, что стандартная вариационная задача, основанная на методе Рэлея-Ритца, усложняется.

Однако, как известно из проведенных выше экспериментов, образцы из керамических материалов на килогерцовых частотах характеризуются достаточно высокими значениями добротности. В этом случае для теоретического анализа можно использовать метод возмущений и решать задачу методом последовательных приближений. Вначале по известным материальным константам можно определить резонансные частоты и форму колебаний образцадля каждого резонанса в пренебрежении вязкостью.

Затем, выбрав определенное значение резонансной частоты по известным коэффициентам вязкости можно ввести комплексный модуль упругости и повторить процесс расчета. При этом можно считать, что коэффициенты разложения искомых функций и базисные функции остаются действительными величинами. Комплексность появляется только в матричных уравнениях благодаря комплексности модулей упругости и частоты. Таким образом, используя программу расчета для образцов без вязкости можно найти комплексные значения резонансных частот. Реальная часть частоты будет иметь тот же самый физический смысл, а мнимая добавка даст декремент затухания колебаний в каждой точке образца от времени.

1.E+ Добротность 1.E+ 1.E+ 1.E+ 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+ Im c33, Н/м 1.E+ Добротность 1.E+ 1.E+ 1.E+ 1.E+04 1.E+06 1.E+08 1.E+ Im c33, Н/м Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика Добротность Im c33, Н/м Рис.3. Зависимость добротности от мнимой части модуля упругости Imс33 для образцов из пьзокерамики PZ (верхний ряд), PMN34.5%PT (средний ряд) и PZ26 (нижний ряд).

Однако в нашем случае коэффициенты вязкости для исследуемых образцов керамики оказались неизвестными. Поэтому в работе была предпринята попытка оценить коэффициент вязкости исходя из экспериментальных данных. Вначале в расчет были введены значения мнимых частей независимых компонент модуля упругости, в предположении, что они пропорциональны соответствующим действительным их частям. В работе использовалась программа, использующая разложение искомых функций по полиномам Лежандра с учетом симметрии образцов и материала [8]. Затем были найдены относительное изменение реальной части резонансной частоты и затухание на один период колебаний как функции мнимой части модуля упругости с33. Эти зависимости представлены для вышеупомянутых материалов на рис. 2а и 2б, соответственно. Видно, что с ростом мнимой части модуля упругости (и,соответственно, вязкости) резонансная частотанезначительно увеличивается. Это имеет четкий физический смысл поскольку, как известно, с ростом вязкости скорость упругих волн увеличивается [11].

Что касается затухания на один период колебаний, то как и следовало ожидать[11], оно растет с ростом коэффициента вязкости, а следовательно и с ростом мнимой части модуля упругости по линейному закону (рис.2б). На рис. 3 представлены зависимости добротности механических колебаний от мнимой части модуля упругости с33. Видно, что с возрастанием мнимой части модуля упругости добротность уменьшается по линейному закону, и эти зависимости практически одинаковы для всех анализируемых материалов. Эти зависимости позволили по экспериментально найденным значениям добротности, которые представлены в таблице 1, найти соответствующие значения мнимой части модуля упругости и коэффициента вязкости. Эти данные представлены в таблице 2 для вышеуказанных материалов. Здесь же для каждого образца представлены декремент затухания и относительная разность теоретических и экспериментальных значений резонансной частоты (f/f0). Видно, что последняя величина не превышает разброс значений материальных постоянных материалов (±3%), которые связаны с технологическими особенностями их получения и с процессом старения.

Таблица Материал Добротность Im C33, Па 33, Пас f/f0, % Затухание, дБ/период 1. PZ27 100 616 -2.5 0. 2. PMN34.5%PT 579 315 0.17 0. 6. PZ26 2738 104 0.9 0. Таким образом, в работе показана возможность оценки коэффициента вязкости твердых тел с помощью вариационного метода для пьезоэлектрических образцов кубической формы. Эта оценка проводилась путем сравнения экспериментально найденного значения добротности для самого низкочастотного механического резонанса с теоретически найденной зависимостью добротности от вязкости материала. Экспериментальное определение добротности осуществлялась по измеренной частотной зависимости адмиттанса образца с помощью измерителя LCR параметров. Следует отметить, что в работе было сделано не совсем корректное предположение о том, что мнимые части компонент модуля упругости пропорциональны их действительным частям. Это позволило свести пять независимых компонент тензора вязкости к одномуи существенно упростить задачу. Однако для более точного их Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика определения необходимо использовать методику, описанную в [8] включив в неизвестные материальные постоянные все независимые компоненты тензора вязкости.

ЛИТЕРАТУРА 1. EerNisseE.P.Variationalmethodforelectroelasticvibrationanalysis//IEEE Trans. on Ultrason., Ferroel., and Freq. Contr., 1967, vol. SU-14, No.14, pp. 153-160.

2. Holland R. Resonant properties of piezoelectric ceramics rectangular parallelepipeds// J. Acoust. Soc. Amer., 1967, vol.43, pp.988-997.

3. HollandR. and Eer NisseE.P. Variational evaluation of admittances of multielectroded three –dimensional piezoelectric structures//IEEE Trans. on Ultrason., Ferroel., and Freq. Contr., 1967, vol. SU-15, No.2, pp. 119-132.

4. DemarestH.H., Jr. Cube resonance method to determine the elastic constants of solids// J. Acoust. Soc. Amer., 1971, vol.49, No.

3, pp.768-775.

5. OhnoI. Free vibration of a rectangular parallelepiped crystaland its application to determination of elastic constants of orthorombic crystals// J. Phys. Earth, 1976, vol.24, pp. 355-379.

6. OhnoI. Rectangular parallelepiped resonance method for piezoelectric crystals and elastic constants of alpha-quartz// Phys.

Chem. Minerals, 1990, vol.17, pp. 371-378.

7. DemarestH.H., Jr, Cube resonance method to determine the elastic constants of solids// J. Acoust. Soc. Amer., 1971, vol.49, pp.2154-2161.

8. DelaunayT., Le ClezioE., GuennouM., DammarkH., ThiM.P., and FeuillardG.. Full tensorial characterization of PZN-12%PT single crystal by resonant ultrasound spectroscopy// IEEE Trans. on Ultrason., Ferroel., and Freq. Contr., 2008, vol. 55, No. 2, pp,476-488.

9. ЛандауЛ.Д.,ЛифшицЕ.М. Теоретическаяфизика, Том. 5, Статистическая физика-М.:Наука. 1964. 568С.

10. МаксимовГ.А.Обобщенный вариационный принцип для диссипативной гидродинамики и механики сплошной среды//Вычислительная механика сплошных сред, 2009, т.2, № 4. С.92 -104.

11. RoyerD. andDieulesaint E. Elastic waves in solidsI. Free and guided propagation- Berlin: Springer. 2000. 374 P.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика УДК 534. Б.Ф. Борисов, П.В. Великоруссов, Е.В. Чарная, Е.В. Шевченко, С.В. Барышников* АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СУПЕРИОННОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА AgI, ДИСПЕРГИРОВАННОГО В ПОРАХ МОЛЕКУЛЯРНОГО СИТА МСМ- Санкт-Петербургский государственный университет Россия, 198504 Санкт-Петербург, Старый Петергоф, ул. Ульяновская, д. * Благовещенский государственный педагогический университет 675002, Благовещенск, Россия Тел.: (812)428-4330;

E-mail: mfmmail@mail.ru В настоящей работе приводятся результаты впервые проведенных исследований акустических свойств суперионного кристалла AgI, диспергированного в нанопоры молекулярных сит МСМ-41. Исследования проведены на продольных ультразвуковых волн частотой 3-4 МГц в температурном интервале 290 К 480 К, включающем область перехода в суперионное состояние. Приведены температурные зависимости скорости распространения продольных акустических волн в нанокомпозитах на основе молекулярных сит MCM-41 с различными размерами каналов. В температурном диапазоне суперионого фазового перехода наблюдаются значительные акустические аномалии – ступенчатое изменение скорости звука при нагреве и охлаждении, соответствующие суперионному фазовому переходу в наночастицах AgI. Фазовый переход сдвинут вверх по температуре относительно объемного AgI и носит гистерезисный характер, вытекающей из первого рода фазового перехода. Результаты согласуются с данными, полученными с помощью диэлектрических и ЯМР исследований.

1. Введение.

Фазовые переходы наноразмерных систем в условиях «ограниченной геометрии» - одна из актуальных проблем физики конденсированного состояния. При исследовании подобных систем акустические методы оказываются весьма информативными. Данные о смещении температур фазовых переходов, степени их размытия, обратимый или гистерезисный характер процессов проявляются непосредственно в виде аномалий температурной зависимости скорости и поглощения ультразвука. При этом, в отличие от многих других методов, измерения можно проводить в режиме непрерывного сканирования температуры.

Электропроводность твердого кристаллического соединения серебра с йодом AgI при температуре около 420 К увеличивается на несколько порядков. Кристалл переходит из низкотемпературной -фазы в высокотемпературную (суперионную) -фазу, которая сохраняется до температуры плавления иодида серебра – 828 К[1]. Кристаллическая структура разупорядоченной -фазы имеет ОЦК анионную подрешетку. Структура низкотемпературной -фазы является гексагональной (структура вюртцита).

Рис 1. Структура Agl в суперионной фазе (при Т147 °С). В элементарной ячейке 2 иона проводимости Ag+ статистически распределены по 42 разрешённым позициям 3 типов.

На Рис.1 представлена структура AgI в - фазе где имеем ОЦК анионную подрешетку, а 2 катиона серебра в элементарной ячейке могут занимать три типа позиций: 12d- тетраэдрических, 24h Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика тригональных, 6b- октаэдрических. Диффузия катионов серебра происходит «скачкообразно» по различным разрешенным позициям.

Представляет интерес вопрос о влиянии размерных эффектов на параметры фазового перехода в AgI. Согласно краткому обзору, приведенному в работе [2], однозначной картины на счет относительного изменения температуры фазового перехода для малых частиц AgI, внедренных в нанопористые матрицы, к настоящему времени не существует. Было обнаружено, что температура суперионного перехода увеличивалась для AgI в пористом оксиде алюминия, уменьшалась для частиц в порах искусственного опала и несколько увеличивалась и затем уменьшалась по мере уменьшения размеров пор от 50 до 10 нм для AgI, внедренного в пористые стекла. В работе [2] также показано, что факт смещения температуры суперионного перехода в зависимости от размера пор допускает интерпретацию в рамках феноменологической модели Ландау, аналогичной модели, развитой для сегнетоэлектрических малых частиц [3-5].

До последнего времени акустические исследования влияния ограниченной геометрии на суперионный переход в наночастицах AgI не проводились. В настоящей работе представлены результаты акустических исследований на продольных УЗВ волнах для наночастиц AgI, внедренных в поры матриц МСМ- 41.

Применение акустических методов для исследования фазовых переходов веществ, введенных в пористые матрицы, основывается на том, что при переходах происходит изменение эффективных упругих модулей композитов в целом [6].

2. Образцы и эксперимент.

Для исследования акустических свойств нанодисперсного AgI проведены измерения скорости продольных ультразвуковых волн в диапазоне частот 3-4 МГц в композитах на основе молекулярных сит МСМ-41 с диаметром пор 37 и 26.

Образцы представляли собой таблетки толщиной около 2 мм с внедренным в нанопоры AgI.

Известно, что повышение давления при прессовании таблеток может приводить к образованию - модификации AgI, однако -AgI снова превращается -фазу при нагревании выше - перехода и в последующем охлаждении [2]. Поэтому перед измерениями образец прогревался до 450 К. Исследование акустических свойств производилось на продольных волнах с применением импульсно-фазовой методики.

3. Экспериментальные результаты и обсуждение.

На Рис. 2 представлены результаты измерения относительного изменения скорости продольных УЗВ в нанокомпозите с размером пор 37 для двух последовательн ых циклов «охлаждение - нагрев»

после предварительного прогрева до 450К.

Рис. 2. Температурная зависимость относительного изменения скорости продольных УЗВ при двух последовательных циклах охлаждение – нагрев. Кружки и треугольники соответствуют различным циклам.

Темные символы – нагрев, светлые символы – охлаждение.

Как видно из рис. 2 при суперионном переходе в наночастицах AgI наблюдается значительное уменьшение скорости ультразвуковых волн при нагреве и смещенное в сторону низких температур обратное ему возрастание скорости ультразвуковых волн при охлаждении. Средняя температура скачка скорости при нагреве несколько превышает (примерно на 3 К) температуру суперионного перехода в Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика объемном AgI. Смещение акустической аномалии при охлаждении обусловлено температурным гистерезисом при фазовом переходе I рода, к которому относится переход в AgI. Отметим, что гистерезис при нагреве и охлаждении для наночастиц AgI в порах молекулярных сит МСМ-41 шире, чем в объемном образце. Аналогичные данные были получены для нанокомпозита с размером пор. Однако, температура суперионного фазового перехода в этом образце была выше, чем в образце с размером пор 37. Для подтверждения природы гистерезиса при нагреве и охлаждении нами были проведены акустические исследования нанокомпозитов в условиях частичных температурных циклов, при которых изменение температурных режимов (нагрев на охлаждение и наоборот) проводилось до окончания суперионного фазового перехода. Результаты таких исследований представлены на рис. 3 для нанокомпозита с размером пор 26. Из рис. 3 следует необратимый характер акустических аномалий, что полностью соответствует первому роду фазового перехода.

Рис. 3. Температурные зависимости относительного изменения скорости продольных УЗВ при частичных температурных циклах. Разные символы соответствуют различным циклам. Темные символы – нагрев, светлые символы – охлаждение.

4. Выводы.

В настоящей работе впервые проведены акустические исследования нанокомпозита на основе молекулярных сит МСМ-41 с размером пор 37 и 26 с введенными в поры наночастицами суперионного проводника AgI. Показано, что структурный фазовый переход, который приводит к возникновению ионной проводимости в наночастицах AgI, вызывает аномалии скорости ультразвуковых волн, распространяющихся в нанокомпозите, составляющие примерно 25% от скорости звука выше суперионного перехода для нанокомпозита с порами 37 и около 3% для образца с порами 26 Для.

обоих образцов аномалия, наблюдаемая при нагреве, смещена в сторону высоких температур относительно суперионного перехода в объемном AgI. Величина смещения увеличивалась с уменьшением размера пор. При охлаждении аномалия скорости была сдвинута в сторону низких температур, что приводит к гистерезису скорости. Величина гистерезиса превышала обычно наблюдаемую ширину гистерезиса для поликристаллического AgI. Дополнительно проведенные акустические измерения в режиме частичных циклов нагрев-охлаждение выявили полностью необратимый характер скорости, что обусловлено первым родом фазового перехода в наночастицах AgI. Таким образом, продемонстрирована чувствительность акустических методов к суперионному фазовому переходу наночастиц в пористых матрицах и показана информативность этих методов для исследования конкретных нанокомпозитов.

ЛИТЕРАТУРА Гуфан Ю.М., Мощенко И.Н., Снежков В.И., Теория реконструктивных фазовых переходов в суперионных проводниках 1.

AgI и CuBr, Физика твердого тела, Том 35, №8, 1993 г., стр. 2086-2098.

С.В. Барышников, Cheng Tien, Е.В. Чарная, M.K. Lee, D. Michel, W. Bohlmann, Н.П. Андриянова Диэлектрические и 2.

ЯМР-исследования суперионного проводника AgI, внедренного в мезопористые силикатные матрицы // ФТТ Т. 50, вып. 7, с 1290-1294 (2008).

3. W.L. Zhong, Y.G. Wang, P.L. Zhang, B.D. Qu. Phys. Rev. B 50, 698 (1994).

4. B. Jiang, L.A. Bursill. Phys. Rev. B 60, 9978 (1999).

5. E.V. Charnaya, O.S. Pogorelova, C. Tien. Physica B 305, 97 (2001).

Гартвик А.В. канд. диссертация (ф-м н), СПбГУ, 2005г.

6.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика УДК 534.222. Е.В. Чарная1, А.Л. Пирозерский1, А.И. Недбай1, Е.Л. Лебедева1, В.Н. Пак2, Д.В. Формус2, С.В. Барышников3, Е.Н. Латышева АКУСТИЧЕСКИЕ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ОКСИД МЕДИ – ПОРИСТОЕ СТЕКЛО Физический факультет, С.Петербургский государственный университет, С.Петербург, Государственный педгогический университет им. Герцена, С.Петербург, Благовещенский государственный педагогический университет, Благовещенск, Тел.: (812) 428-4330;

Факс: (812) 428- E-mail: charnaya@mail.ru;

piroz@yandex.ru В настоящей работе проведены исследования нанокомпозиционных материалов, полученных путем введения наночастиц окиси меди (CuO) в пористые стекла с размером пор 8 нм. Целью исследований являлось изучение влияния размеров наночастиц CuO на их физические свойства. Интерес к окиси меди связан с тем, что CuO является высокотемпературным мультиферроиком, а также близостью структуры CuO к структуре медьсодержащих плоскостей многих высокотемпературных сверхпроводников. Исследования проводились акустическими и диэлектрическими методами. Скорость ультразвука измерялась импульсно-фазовым методом на частотах около 7 МГц в температурном диапазоне 150–370 K. Обнаружен выраженный гистерезис между ветвями нагрева и охлаждения. Исследование частичных циклов нагрев-охлаждение показало необратимость соответствующих процессов в температурной области 160–300 K. Дополнительно проведены диэлектрические измерения на частотах от 25 Гц до 1 МГц. В работе обсуждаются возможные причины выявленных акустических и диэлектрических аномалий.

1. Введение.

Окись меди CuO (оксид меди II) принадлежит к редкой группе мультиферроиков, у которых сегнетоэлектрические свойства возникают в результате магнитного фазового перехода [1,2]. Окись меди исследовалась достаточно давно в связи с ее использованием в качестве катализатора и схожестью ее структуры со структурой плоскостей Cu-O в ряде высокотемпературных сверхпроводников (см. [3] и ссылки в этой работе). Окись меди имеет магнитное упорядочение ниже 230 К. При этой температуре TN происходит переход из парамагнитной фазы в несоразмерную фазу с геликоидальным антиферромагнитным упорядочением, которая устойчива до примерно TN1=210 К. При TN1, окись меди переходит в антиферромагнитное состояние с коллинеарным соразмерным упорядочением. В интервале между TN1 и TN2 CuO является сегнетоэлектриком со спонтанной поляризацией вдоль кристаллографической оси b. В работе [4] были обнаружены области (полосы), в которых ионы меди находились в зарядовом состоянии Cu3+.

Изменение свойств окиси меди при уменьшении размеров изучалось ранее на примере ансамблей наностиц, полученных золь-гель методом и посредством реакции преципитации [3,5-8].


Значительное внимание уделялось вопросу обнаружения суперпарамагнитного поведения наночастиц. Выявленная бифуркация кривых температурной зависимости намагниченности при стандартных измерениях в процессе нагрева в магнитном поле после охлаждения без поля и последующего охлаждения в поле допускала противоречивую интерпретацию: как следствие суперпарамагнетизма и как проявление свойств спинового стекла. В работе [3] изучалось изменение температуры перехода в несоразмерную фазу с анитисегнетоэлектрическим упорядочением при изменении размера наночастиц. Было получено, что TN сильно снижается уже для размеров частиц 28 и 18 нм. Акустических исследований систем наночастиц CuO ранее не проводилось.

В настоящей работе приводятся результаты акустических и диэлектрических исследований нанокомпозита на основе пористого стекла с размером пор 8 nm с введенными в поры наночастицами CuO.

2. Образцы и эксперимент.

В качестве нанопористых матриц использовались пористые стекла, приготовленные из одного моноблока боросиликатного стекла путем выщелачивания в кислоте. Средний размер пор 8 нм определялся методом ртутной порометрии и контролировался методом электронной микроскопии (TEM).

Частицы окиси меди в порах были получены термическим разложением нитрата меди Cu(NO3)2.

Степень заполнения пор составляла 55%. Заполнение пор определялось путем взвешивания образцов.

Спектры порошковой дифракции рентгеновского излучения показали, что в порах имеется только CuO с Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика такой же структурой, как и объемная окись меди (моноклинная симметрия с пространственной группой C2/c).

Измерения скорости продольных ультразвуковых волн проводились импульсно-фазовым методом на частотах около 7 МГц в температурном диапазоне 150–370 K. Диэлектрические измерения проводились на частотах от 25 Гц до 1 МГц в том же температурном диапазоне.

3. Экспериментальные результаты и обсуждение.

На Рис.1 представлены результаты для температурной зависимости относительного изменения скорости ультразвука при нагреве от комнатной температуры до 370 К, последующем охлаждении до 150 К и нагреве до 370 К. Измерения показали, что такое поведение относительной скорости воспроизводится при повторных термических циклах. Из Рис.1 видно, что для скорости ультразвука наблюдается значительный температурный гистерезис на фоне приблизительно линейного изменения скорости с температурой вне области гистерезиса.

v/v (%) - 150 200 250 300 T (K) Рис.1. Температурная зависимость относительного изменения скорости продольного ультразвука v/v. Стрелки показывают направление изменения температуры.

Используя данные, показанные на Рис.1, можно построить график температурной зависимости отклонения скорости в области гистерезиса от регулярной зависимости. Этот график представлен на Рис.2. Видно, что изменение скорости выявляет наличие некоторого процесса в исследуемом нанокомпозите. Начало этого процесса находится при температуре около 170–180 К, а окончание – в области 350–360 К. Характерные температуры выявленного процесса значительно отличаются от температур магнитных фазовых переходов в окиси меди. Следовательно, этот процесс связан с другими свойствами наночастиц окиси меди. С другой стороны, в окиси меди были обнаружены зигзагообразные полосы, в которых ионы меди находятся в зарядовом состоянии Cu3+ [4]. Это позволяет выдвинуть предположение, что аномальное поведение температурной зависимости скорости определяется таким регулярным распределением в образце зарядового состояния ионов меди. По своему характеру гистерезис скорости на Рис.2 напоминает температурное изменение скорости в нанокомпозиционных материалах при фазовых переходах плавление и кристаллизация или стеклование наночастиц, введенных в поры.

Увеличению скорости на фоне обычной регулярной температурной зависимости отвечает затвердевание частиц в порах, а уменьшению скорости – переход в жидкое состояние.

Для того, чтобы выявить дополнительные особенности обнаруженного в нанокомпозите с введенными наночастицами CuO процесса, отражающегося на акустических свойствах нанокомпозита, были проведены исследования зависимости скорости от температуры при частичных циклах нагрев охлаждение. В ходе таких частичных циклов ход изменения температуры изменяется на обратный до окончания гистерезисных явлений.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика - (%) - - - 150 200 250 300 T (K) Рис.2. Температурная зависимость отклонения скорости ультразвуковых волн от регулярного изменения с температурой при нагреве и охлаждении. Стрелки показывают направление изменения температуры.

Примеры изменения относительной скорости продольных ультразвуковых волн в ходе частичных температурных циклов показаны на Рис.3. Видно, что изменения скорости при частичных температурных циклах имеют необратимый характер, то есть при нагреве (или охлаждении) скорость не следует зависимости, полученной при предшествующем охлаждении (или нагреве). Необратимый характер изменения физических свойств обычно наблюдается при фазовых переходах первого рода. Это дает дополнительные основания предполагать, что аномалии скорости ультразвука в нанокомпозите с наночастицами окиси меди могут быть обусловлены переходами структуры зарядовых полос из жидкого в твердое состояние.

Рис.3. Температурная зависимость относительного изменения скорости продольных ультразвуковых волн при частичных циклах охлаждение–нагрев после предварительного прогрева. Светлые символы – охлаждение, темные – нагрев. Цикл 1 (квадраты): охлаждение от 368 K до 150 K, затем нагрев до 274 K. Цикл (треугольники): охлаждение от 274 K до 151 K, затем нагрев до 370 К. Цикл 3 (кружки): охлаждение от 370 K до 260 K, затем нагрев до 358 К.

Изменение диэлектрической проницаемости от температуры при различных частотах представлено на Рис.4.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика ' 100 200 T (K) Рис.4. Температурная зависимость вещественной части диэлектрической проницаемости в диапазоне частот от 60 Гц до 500 кГц. Стрелкой показано увеличение частоты.

Как видно из Рис.4, вещественная часть диэлектрической проницаемости не имеет заметных аномалий при магнитных фазовых переходах. Однако существенное возрастание проницаемости с температурой может быть связано с зарядовой перестройкой в системе ионов меди.

4. Выводы.

Проведенные в настоящей работе акустические исследования нанокомпозита на основе пористого стекла с введенными в поры наночастицами окиси меди выявили ранее не известные аномалии, которые позволяют предположить фазовый переход в системе полос зарядового состояния ионов меди из замороженного в подвижное состояние. Диэлектрические измерения не противоречат такому предположению.

ЛИТЕРАТУРА 1. T. Kimura, Y. Sekio, H. Nakamura, T. Siegrist, A. P. Ramirez. Cupric oxide as an induced-multiferroic with high-Tc // Nature mater. 2008. V.7. P.291–294.

2. G. Giovannetti, S. Kumar, A. Stroppa, J. van der Brink, S. Picozzi, J. Lorenzana. High-Tc Ferroelectricity Emerging from Magnetic Degeneracy in Cupric Oxide // Phys. Rev. Lett. 2011. V.106. P.026401.

3. A. Punnoose, H. Magnone, M. S. Seehra, J. Bonevich. Bulk to nanoscale magnetism and exchange bias in CuO nanoparticles // Phys. Rev. B. 2001. V.64. P.174420.

4. X. G. Zheng, C.N. Xu, Y. Tomokiyo, E. Tanaka, H. Yamada, Y. Soejima. Observation of Charge Stripes in Cupric Oxide // Phys. Rev. Lett. 2000. V.85. P.5170–5173.

5. G. N. Rao, Y. D. Yao, J. W. Chen. Superparamagnetic behavior of antiferromagnetic CuO nanoparticles // IEEE Trans. on magnetics. 2005. V. 41. P.3409–3411.

6. S. Rehman, A. Mumtaz, S. K. Hasanain. Size effects on the magnetic and optical properties of CuO nanoparticles // J. Nanopart. Res. 2011. V.13. P.2497-2507.

7. V. Bisht, K. P. Rajeev, S. Banerjee. Anomalous magnetic behavior of CuO nanoparticles // Solid State Commun.

2010. V.150. P.884–887.

8. R. S. Bhalerao-Panajkar, M. M. Shirolkar, R. Das, T. Maity, P. Poddar, S. K. Kulkarni. Investigations of magnetic and dielectric properties of cupric oxide nanoparticles // Solid State Commun. 2011. V.151. P.55–60.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика УДК 534.222. А.Л. Пирозерский1, Е.В. Чарная1, А.И. Недбай1, М.И. Самойлович2, П.В. Великоруссов1, Е.В. Шевченко1, Е.Н. Латышева АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗМЕРНЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ДЕКАНА В ПОРАХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ОПАЛОВ Физический факультет, Санкт-Петербургский государственный университет Россия, 198504, С.- Петербург, Петродворец, ул.Ульяновская д. ОАО ЦНИТИ "Техномаш", Россия, 121108, Москва, ул. Ивана Франко, Тел.: (812) 428-4330;

Факс: (812) 428- E-mail: piroz@yandex.ru;

charnaya@mail.ru В настоящей работе приводятся результаты исследований плавления и кристаллизации декана, введенного в поры опаловых матриц. Исследовались опаловые матрицы двух типов – исходная, с пористостью около 24%, и протравленная в растворе щелочи, с пористостью ~45%. Матрицы заполнялись химически чистым деканом (CH3(CH2)8CH3), после чего проводились измерения скорости ультразвука импульсно-фазовым методом на частотах около 7 MHz в температурном диапазоне 170–290 K. Обнаружено смещение температур плавления и кристаллизации относительно температуры плавления объемного декана (245.25 K), значительный температурный гистерезис между ветвями плавления и кристаллизации. Процесс плавления был существенно размыт по температуре, процесс кристаллизации происходил в узком температурном диапазоне. На кривых плавления и кристаллизации декана в протравленной опаловой матрице наблюдались ступеньки, что указывает на наличие пор разного размера и согласуется с увеличением пористости этой матрицы, соответствующей открытию пор второго порядка.


1. Введение.

В последнее время значительно вырос интерес к физическим исследованиям наноструктурированных материалов – малых частиц и нанопорошков, тонких пленок, нанокомпозитов. В частности, большое внимание уделяется изучению особенностей свойств веществ, введенных в пористые матрицы с размером пор в диапазоне от единиц до сотен нанометров. Было показано, что условия ограниченной геометрии могут приводить к формированию в порах кристаллических модификаций, отличных от объемных, существенно сказываться на атомной и молекулярной подвижности в жидкостях, смещать температуры фазовых переходов и в ряде случаев менять их характер. Ярким примером является влияние ограниченной геометрии на процессы плавления и кристаллизации. Плавление и кристаллизация в нанопорах изучались особенно активно в связи с особой практической важностью этих фазовых переходов. Исследования проводились для многих органических жидкостей, воды, гелия, водорода, легкоплавких металлов и др. (см., например, [1] и ссылки в этой работе). В таких исследованиях использовались различные экспериментальные методы, среди которых значительное место занимает ультразвуковая спектроскопия. Были выявлены общие закономерности термодинамических размерных эффектов при плавлении и кристаллизации в порах, наряду с особенностями, присущими конкретным материалам. К общим чертам, прежде всего, относится смещение температур плавления по сравнению с точкой плавления объемных материалов, величина и знак которого зависит от размера частиц в порах и от соотношения коэффициентов поверхностного натяжения для жидкой и твердой фаз и матрицы. Кроме того, наблюдалось значительное размытие областей плавления и кристаллизации наряду с широким температурным гистерезисом при нагреве и охлаждении. Специфические особенности плавления и кристаллизации в ограниченной геометрии связаны со смачиваемостью стенок пор материалами в порах, механическими напряжениями, возникающими в образце при фазовых переходах, возможным образованием нескольких структурных модификаций при кристаллизации в порах, возможностью появления жидкого слоя на поверхности твердой фазы при плавлении и другие эффекты. Влияние перечисленных выше факторов выяснено далеко не полностью, и интерпретация экспериментальных данных часто носит дискуссионный и противоречивый характер, что приводит к необходимости проведения дальнейших исследований на более широком круге материалов. Наряду с многочисленными нерешенными фундаментальными проблемами, относящимися к плавлению и кристаллизации в ограниченной геометрии, имеются и вопросы методического характера, связанные с применимостью различных экспериментальных методик к фазовым переходам материалов в порах и с трактовкой получаемых результатов.

В настоящей работе приводятся результаты акустических исследований фазовых переходов плавление и кристаллизация декана, введенного в межсферические поры опаловых матриц. Ранее плавление декана в условиях ограниченной геометрии исследовалось только методом дифференциальной Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика сканирующей калориметрии в образцах силикагеля с размером пор 8.5 нм [2] и акустическими методами в образцах пористого стекла [3].

2. Образцы и эксперимент.

Образцами для исследования служили композиты, полученные введением в поры опаловых матриц химически чистого декана. В качестве матриц использовались опаловые матрицы с разной пористостью, которые представляют собой решетчатую упаковку шаров из рентгеноаморфного кремнезема с диаметром около 260 нм. Эти шары в свою очередь состоят из шаров меньшего размера (~ 30–40 нм). Исследовались заполненные опаловые матрицы двух типов – исходная, с пористостью около 27%, и дополнительно протравленная в растворе KOH, с пористостью ~44%.

Декан имеет химическую формулу CH3(CH2)8CH3;

при охлаждении он кристаллизуется.

Температура плавления объемного декана равна 245.25 K. Преимуществом декана является то, что он полностью смачивает поверхность силикатного стекла и практически не растворяется в воде. Жидкий декан вводился в пористые матрицы при комнатной температуре.

Измерения проводились импульсно-фазовым методом [4] на продольных акустических волнах на частотах около 7 MHz. При этом сравнивались сигналы от двух акустических импульсов – отраженного от передней грани образца и прошедшего через образец один раз. В интервале 165–295 K снимались температурные зависимости относительного изменения скорости ультразвуковых волн v/v0 = [ v(T) – v(T=295 K) ]/v(T=295 K) с погрешностью 0.1 % (по разбросу). При комнатной температуре измерялась абсолютная скорость звука с погрешностью не более 1%. Образцы имели форму параллелепипедов объемом около 0.5 см3. Акустический контакт образца со звукопроводами осуществлялся с использованием вакуумной смазки Apiezon N.

3. Экспериментальные результаты.

На Рис.1 представлены температурные зависимости изменения скорости продольных ультразвуковых волн относительно значения при комнатной температуре в образце исходной опаловой матрицы, заполненной деканом. Температурный цикл соответствует охлаждению от комнатной температуры, при которой декан находится в жидком состоянии, до 165 K, существенно ниже полного окончания кристаллизации, и последующему нагреву до первоначальной температуры.

Рис.1. Температурная зависимость относительного изменения скорости продольных ультразвуковых волн при плавлении и кристаллизации декана в порах синтетического опала. Светлые символы – охлаждение, темные – нагрев.

На Рис.1 плавлению и затвердеванию декана в порах отвечают области сильного нелинейного изменения скорости. Акустические аномалии такого вида характерны для подобных композитов.

Температурные зависимости скорости, полученные при охлаждении и нагреве, различаются и характеризуются петлей гистерезиса. Как видно из Рис.1, основной рост скорости при кристаллизации Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика происходил в узком температурном интервале. Средняя температура кристаллизации Tf составляла 233 K.

Обратное этому росту уменьшение скорости при нагреве происходило в несколько более широком температурном интервале. Началу процесса плавления можно сопоставить температуру, при которой становится заметным отклонение относительной скорости от линейной зависимости. Замыкание петель гистерезиса скорости и выход температурной зависимости скорости при нагреве на линейный участок соответствует окончанию плавления декана в порах. Средняя температура плавления Tm равнялась 237 К.

На Рис.2 представлены температурные зависимости изменения скорости продольных ультразвуковых волн в образце заполненной деканом опаловой матрицы, подвергнутой дополнительной обработке в щелочи. Для этого образца петля гистерезиса между кривыми скорости, соответствующими плавлению и кристаллизации, значительно расширялась. Кроме того, расширялись температурные области кристаллизации и плавления и на зависимостях скорости проявлялись ступеньки, особенно заметные при кристаллизации. Средняя температуры нижней ступеньки кристаллизации составляла около 225 К и плавления – 232 К. Таким образом, для обоих образцов области плавления и кристаллизации декана в порах значительно понижались по сравнению с температурой плавления объемного декана.

Рис.2. Температурная зависимость относительного изменения скорости продольных ультразвуковых волн при плавлении и кристаллизации декана в порах опаловой матрицы, протравленной в растворе щелочи. Светлые символы – охлаждение, темные – нагрев.

На Рис.3 показаны температурные зависимости относительных изменений скорости при частичных циклах охлаждение-нагрев для образца обработанной щелочью опаловой матрицы, заполненной деканом, при которых нагрев (охлаждение) начинались раньше, чем заканчивались процессы кристаллизации (плавления).

4. Обсуждение результатов.

Полученные результаты показывают понижение области плавления декана в нанопорах относительно точки плавления объемного декана. При этом, дополнительное понижение температуры плавления декана для образца, прошедшего обработку щелочью, связано с появлением дополнительных пор, появившихся в результате протравливания. Можно предположить, что эти дополнительные поры меньшего размера являются порами второго порядка и отражают фрактальную структуру опаловых матриц.

Понижение температуры плавления декана в порах стеклянных матриц согласуется с поведением ранее исследованных простых и органических жидкостей, а также металлов, введенных в нанопористые матрицы. При интерпретации смещения температур плавления для наночастиц в условиях ограниченной геометрии обычно используются термодинамические модели, разработанные для изолированных сферических частиц (см., например, [1]). К таким моделям относится, например, модель, основанная на уравнении Гиббса-Томпсона. Она приводит к следующему выражению для сдвига температуры плавления малой частицы T=Tm-Tb :

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика T = sl, LR Tb Рис.3. Температурная зависимость относительного изменения скорости продольных ультразвуковых волн при частичных циклах охлаждение–нагрев для опаловой матрицы, протравленной в растворе щелочи. Зависимости показаны в области 210–250K. Светлые символы – охлаждение, темные – нагрев. Цикл 1 (квадраты):

охлаждение от 292 K до 197 K, затем нагрев до 236 K. Цикл 2 (кружки): охлаждение от 236 K до 199 K, затем нагрев до 256 К. Цикл 3 (треугольники): охлаждение от 256 K до 230 K, затем нагрев до 280 К.

где Tb и Tm – точки плавления объемного материала и частицы, соответственно, sl – коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело-жидкость, L – скрытая теплота плавления, – плотность частицы, R – ее радиус. Приведенное выше соотношение предсказывает линейную зависимость сдвига температуры плавления малой частицы от обратного радиуса. Последнее согласуется с понижением и расширением области плавления декана для образца, прошедшего дополнительную обработку.

Необратимый характер плавления, который иллюстрируется Рис.3, показывает, что основной причиной расширения температурной области процесса плавления является разброс размеров частиц в порах по размерам. Действительно, каждая отдельная частица, расплавившись при определенной температуре, остается в расплавленном состоянии до температуры кристаллизации, которая значительно ниже из-за гистерезиса при плавлении и кристаллизации. Отметим, что воспроизводимый гистерезис между кристаллизацией и плавлением декана при, соответственно, охлаждении и нагреве образцов, связан, по-видимому, с особенностями гетерогенной кристаллизации в ограниченной геометрии.

5. Выводы.

Проведенные в настоящей работе экспериментальные исследования плавления и кристаллизации декана, введенного в опаловые матрицы, выявили сдвиг температуры плавления относительно объемного декана и температурный гистерезис при плавлении и кристаллизации декана в порах. Вид петли гистерезиса и температурные интервалы кристаллизации и плавления различались для исходной матрицы и матрицы, прошедшей обработку в щелочи. Различие, по-видимому, обусловлено открытием вторичных пор. Показано, что наиболее вероятной причиной размытия процесса плавления является разброс размеров частиц в порах.

ЛИТЕРАТУРА 1. E.V. Charnaya, Cheng Tien, M.K. Lee, Yu.A. Kumzerov. NMR studies of metallic tin confined within porous matrices // Phys. Rev. B. 2007. V.75. P.144101.

2. C.L. Jackson, G.B. McKenna. The melting behavior of organic materials confined in porous solids // J. Chem. Phys.

1990. V.93. P. 9002–9011.

3. Б.Ф. Борисов, А.В. Гартвик, А.Г. Горчаков, Е.В. Чарная. Акустические исследования плавления и кристаллизации наноструктурированного декана. // Физика Твердого Тела. 2009. V.51. P. 777–782.

4. М.Б. Гитис, И.Г. Михайлов, В.А. Шутилов. // Акустический Журнал. 1969. T.15. С.28.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика УДК Б.Ф. Борисов, П.В. Великоруссов, А.В. Усков, Е.В. Чарная АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ НАНОПОРИСТЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТРИЦ ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»

Россия, 198504 Санкт-Петербург, Старый Петергоф, ул. Ульяновская, д. Тел.: (812)428-4330;

E-mail: yskov@yandex.ru Представлены результаты экспериментальных исследований влияния на скорость продольных акустических волн заполнения различных матриц жидкостями: четыреххлористым углеродом, деканом, водой. В качестве пористых матриц использовались пористые стекла, опаловые матрицы и фильтры Шотта. Измерения проводились в диапазоне частот 2-10 MHz. Показано, что при заполнении матриц, скорость ультразвука возрастает для опаловых матриц и фильтров Шотта и уменьшается для пористых стекол. Кроме того, выявлено изменение скорости ультразвука в незаполненных опаловых матрицах в зависимости от коэффициента спекания. Построена теоретическая модель, объясняющая зависимость скорости ультразвука от коэффициента спекания.

Введение Значительный интерес с акустической точки зрения представляют собой нанопористые матрицы с различной структурой пор. К таковым, например, относятся матрицы с губчатой (пористые стекла) и корпускулярной (фильтры Шотта, синтетические опалы) структурой каркаса. При заполнении нанопористых матриц смачивающими жидкостями, в частности, деканом, четыреххлористым углеродом и водой, акустические свойства композитов изменяются. Целью настоящей работы является выявление определенной закономерности влияния заполнения жидкостями на скорость ультразвука в зависимости от структуры каркаса нанопористых матриц. Кроме того, в настоящей работе теоретически и экспериментально исследовалась роль в формировании акустических свойств коэффициента спекания опаловых матриц. Построена соответствующая теоретическая модель.

Эксперимент Для сравнительного анализа основных модельных теорий распространения ультразвуковых волн в гетерогенных средах, проведены измерения скорости продольных ультразвуковых волн в диапазоне частот 2-10 МГц в серии композитов на основе следующих силикатных пористых матриц: 1) микропористые стекла губчатой структуры со средним диаметром пор d 8 нм и пористостью Е=22%;

2) макропористые стекла губчатой структуры со средним диаметром пор d 200 нм и пористостью Е=35%;

3) микропористые стекла Vycor со средним диаметром пор d 4 нм и пористостью Е=28%;

4) корпускулярные фильтры Шотта со средним размером частиц 10, 100 и 160мкм и пористостью плотной упаковки Е30%, 5) опаловые матрицы, пред ставляющие собой плотную упаковку шаров из аморфного кремнезема размером 260-270 нм. При этом исследовались матрицы как незаполненные, так и заполненные различными смачивающими жидкостями: деканом, водой, четыреххлористым углеродом.

Измерения абсолютных значений скоростей продольных ультразвуковых волн проводились методом импульсно-фазового интерферометра [1]. Образцы, выбранные нами для исследования, являются акустически сильно поглощающими материалами. В связи с этим применялся одноимпульсный вариант акустического тракта [2], разработанный специально для условий, когда затруднена работа с эхо сигналами в образце.

Акустический контакт между образцом и звуководами осуществлялся в зависимости от конкретных образцов композитов посредством вакуумной смазки (рамзай) или фторопластового уплотняющего материала (ФУМ). Фактор заполнения контролировался путем взвешивания образцов.

Были измерены абсолютные значения скоростей распространения продольных волн для указанных пористых композитов.

Полученные результаты Для корпускулярных матриц (опаловые матрицы и фильтры Шотта) наблюдается увеличение скорости распространения ультразвуковых волн (УЗВ) при заполнении пор жидкостями, в то время как для губчатых (пористые стекла), наоборот, происходит ее уменьшение.

На Рис. 1-4 приведены графики зависимости скоростей продольных УЗВ от типа наполнителя. На оси абсцисс отложено отношение плотностей наполнителя к плотности материала матрицы.

Горизонтальная линия соответствует скорости продольных УЗВ в пустой матрице.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика Рис. 1. Зависимость абсолютной скорости продольных ультразвуковых волн в макропористом стекле (d ~200 нм) от вида наполнителя.

Рис. 2. Зависимость абсолютной скорости продольных ультразвуковых волн в стекле Vycor (d ~8 нм) от вида наполнителя.

Рис. 3. Зависимость абсолютной скорости продольных ультразвуковых волн в материале фильтра Шотта (d ~100 мкм) от вида наполнителя.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика Рис. 4. Зависимость абсолютной скорости продольных ультразвуковых волн в различных образцах опала от вида наполнителя.

Кроме того, измерялись скорости ультразвука в незаполненных опаловых матрицах с различной степенью спекания. Показано, что при малой степени спекания скорость продольных ультразвуковых волн была значительно меньше (1,8 3 м/с), тогда как с увеличением степени спекания скорость УЗВ возрастала · вплоть до 310 3 м/с. Для интерпретации зависимости скорости УЗВ в опаловых матрицах от степени · спекания была построена теоретическая модель.

Обсуждение.

Следует подчеркнуть, что теоретические расчеты по модельным теориям [4] не учитывают принципиальных различий между губчатыми и корпускулярными структурами пористых матиц.

Различные модельные теории [5, 6], включая наиболее широко распространенную в настоящее время модель М. Био (M. Biot), предложенную в серии работ 50–60-х гг. [7-11], а также и ее дальнейшее развитие [11], не акцентируют внимание на подобном принципиальном различии. Однако, как видно из приведенных результатов, этот фактор может играть определяющую роль при интерпретации влияния заполнения жидкостями на скорость УЗВ.

Наблюдаемый эффект можно трактовать следующим образом. Введение в матрицу жидкого смачивающего наполнителя вносит пропорциональный вклад в увеличение средней плотности композита.

Этот фактор, способствующий понижению скорости УЗВ, является общим для всех типов матриц.

Следовательно, принципиальное различие же между губчатыми и корпускулярными структурами заключается в том вкладе, который вносит наполнитель в общий средний модуль упругости М композита.

Рис. 5. График теоретической зависимости скорости продольных УЗВ от коэффициента спекания опала.

Содержание XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Физическая акустика Для губчатых структур расчет модуля композита по формуле M = c показывает, что вклад наполнителя в упругость оказывается незначительным, а в композите Vycor-CCl4 в пределах погрешности он равен 0. Таким образом, доминирующую роль здесь играет вклад наполнителя в среднюю плотность, что и приводит к понижению скорости. В корпускулярных структурах вклад наполнителя в упругость, очевидно, превышает его вклад в среднюю плотность, поскольку скорость УЗВ в композите растет при заполнении.

Причины различной упругой реакции этих композитов на заполнение, по всей видимости, объясняются принципиально различным характером структуры исследуемых матриц.

Теоретическая модель, построенная для интерпретации влияния степени спекания опаловых матриц на скорость УЗВ, приводит к зависимости, представленной на Рис. 5.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.