Широкополосная вязкоупругая спектроскопия
Широкополосная вязкоупругая спектроскопия (BVS) — это метод исследования вязкоупругих твердых тел как при изгибе, так и при кручении. Он обеспечивает возможность измерения вязкоупругого поведения в течение одиннадцати десятилетий (порядков величины) во времени и с частотой : от 10 −6 до 10 5 Гц. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] BVS обычно используется либо для исследования вязкоупругих свойств изотермически в широком диапазоне частот, либо в зависимости от температуры на одной частоте. [ 3 ] Он способен измерять механические свойства непосредственно в этих диапазонах частот и температур; как таковой, он не требует суперпозиции времени и температуры или предположения, что свойства материала подчиняются температурной зависимости типа Аррениуса . [ 4 ] [ 5 ] В результате его можно использовать для гетерогенных и анизотропных образцов, к которым эти допущения не применимы. [ 4 ] BVS часто используется для определения коэффициентов затухания . [ 2 ] [ 6 ] динамические модули , [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] и особенно коэффициенты демпфирования . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
BVS был разработан в первую очередь для преодоления недостатков функциональных диапазонов других методов определения характеристик вязкоупругих материалов. Например, резонансная ультразвуковая спектроскопия (РУС), другой популярный метод исследования вязкоупругих твердых тел, испытывает трудности с определением параметров материала ниже его резонансной частоты . [ 6 ] Кроме того, БВС менее чувствителен к подготовке проб, чем РУС.
История
[ редактировать ]BVS был впервые разработан К.П. Ченом и Р.С. Лейксом в 1989 году с целью устранения недостатков существующих лабораторных методов исследования вязкоупругих материалов. [ 1 ] Позже он был уточнен М. Brodt et al. улучшить жесткость и разрешающую способность аппарата, которые были источниками ошибок в первоначальной конструкции. [ 1 ] [ 7 ] Впервые использовался для изучения полиметилметакрилата (ПММА). [ 1 ] [ 6 ] с тех пор он нашел применение при определении свойств костей , [ 2 ] конденсаторов диэлектрики , [ 3 ] металлы с высоким демпфированием, [ 4 ] и другие подобные вязкоупругие материалы.
Дизайн
[ редактировать ]Аппарат БВС состоит из образца, окруженного катушками Гельмгольца и изолированного от внешних вибраций каркасом, изготовленным из изоляционной пены и свинца или латуни. [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] Образец фиксируется как постоянным магнитом, так и зеркалом. Ориентация катушек относительно магнита при прохождении через них тока определяет, будет ли образец подвергаться изгибу или кручению. Угловое смещение образца измеряется интерферометром , который обнаруживает пространственное перемещение отраженного лазера. Эта пространственная форма сигнала преобразуется в электрическую с помощью детектора света и считывается на осциллографе . Этот осциллограф также отображает форму сигнала крутящего момента или силы от конденсатора, пропускающего ток в катушках Гельмгольца. Фазовая задержка определяется путем сравнения этих сигналов.
Резонанс минимизируется за счет использования коротких образцов, имеющих более высокие резонансные частоты, и за счет уменьшения инерции ( магнитного и массового моментов ) магнита. Кубические самарий-кобальтовые магниты идеально подходят для высокочастотных исследований. [ 1 ] [ 4 ] Поскольку геометрия образца представляет собой короткий прямоугольный стержень или цилиндр, уравнение, определяющее резонанс геометрии образца BVS, имеет точное аналитическое решение, что позволяет этому методу давать результаты даже для материалов с высокими потерями. [ 1 ] [ 4 ] Это точное решение обеспечивает связь между динамическими модулями, угловыми смещениями и геометрическими параметрами. [ 4 ] Отсутствие дрейфа и трения в аппарате обуславливает его большой диапазон рабочих частот.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Чен, КП; Озера, РС (1989). «Аппарат для определения вязкоупругих свойств материалов за десять десятилетий по частоте и времени». Журнал реологии . 33 (8): 1231–1249. Бибкод : 1989JRheo..33.1231C . дои : 10.1122/1.550071 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Бюхнер, премьер-министр; Озера, РС; Лебедь, К.; Бранд, РА (2001). «Широкополосное вязкоупругое спектроскопическое исследование бычьей кости: влияние на поток жидкости». Анналы биомедицинской инженерии . 29 (8). Спрингер Природа: 719–728. дои : 10.1114/1.1385813 . ISSN 0090-6964 . ПМИД 11556728 . S2CID 1075003 .
- ^ Jump up to: а б с д и Донг, Лян; Стоун, Дональд С.; Озера, Родерик С. (2008). «Измерение механических потерь и модуля поликристаллического BaTiO 3 широкополосной вязкоупругой спектроскопии в зависимости от температуры и частоты». Физический статус Solidi B. 245 (11). Уайли: 2422–2432. Бибкод : 2008PSSBR.245.2422D . дои : 10.1002/pssb.200880270 . ISSN 0370-1972 . S2CID 14719668 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Ван, ЮК; Людвигсон, М.; Озера, РС (2004). «Деформация особо вязкоупругих металлов и композитов». Материаловедение и инженерия: А. 370 (1–2). Эльзевир Б.В.: 41–49. дои : 10.1016/j.msea.2003.08.071 . ISSN 0921-5093 .
- ^ Jump up to: а б с Ли, Т.; Озера, РС; Лал, А. (июль 2000 г.). «Резонансная ультразвуковая спектроскопия для измерения механического демпфирования: сравнение с широкополосной вязкоупругой спектроскопией» . Обзор научных инструментов . 71 (7): 2855–2861. Бибкод : 2000RScI...71.2855L . дои : 10.1063/1.1150703 .
- ^ Jump up to: а б с Аксой, Хусейн Гекмен (апрель 2016 г.). «Широкополосная ультразвуковая спектроскопия для определения характеристик вязкоупругих материалов». Ультразвук . 67 : 168–177. дои : 10.1016/j.ultras.2016.01.012 . ПМИД 26859428 .
- ^ Бродт, М.; Кук, Л.С.; Озера, РС (1995). «Прибор для измерения вязкоупругих свойств за десять десятилетий: усовершенствования». Обзор научных инструментов . 66 (11): 5292. Бибкод : 1995RScI...66.5292B . дои : 10.1063/1.1146101 .