科学家利用激光超声波技术精确测量材料弹性

科学家们在试验一种尖端的超声波技术时想出了一种测量微观尺度上的材料弹性的精确方法。该方法相当具有突破性。据悉，基于对声波在单个晶体上反弹的追踪，这一进展可能对下一代材料的开发产生重要影响并有可能应用于航空航天工程和医疗植入物领域。 8o%Vn'^t  
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这一突破的意义跟构成金属合金等材料的微观晶体的复杂排列有关，这些晶体的大小和形状各不相同，其数量可达数百万。传统上，测量这些材料的应力和应变之间的关系即所谓的弹性矩阵需要将它们切开或生长出一个晶体。但这些技术并不能应用于科学上已知的每一种材料，如喷气式发动机中使用的钛合金。只有一小部分材料对其弹性进行了测量，这使得许多材料的确切属性不明。 }O@
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“许多材料（如金属）是由小晶体组成的，”来自诺丁汉大学、这项研究的负责人Paul Dryburgh指出，“这些晶体的形状和硬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，就像拉动弹簧一样，拉伸度取决于这些数百、数千甚至数百万晶体中每一个的大小、形状和方向。这种复杂的行为使得我们无法确定固有的微观刚度。100多年来，这一直是一个问题，因为我们一直缺乏足够的手段来测量这一特性。” IP#vfM  
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科学家们相信他们已经找到了解决这一难题的办法，即利用一种被称为激光超声波的技术。传统的超声波将高频声波送入样本如人体组织，然后测量反弹回来的声音以创建一个样本的图像，而激光超声波则使用光来产生这些声波。 L QV@]z&  
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2019年，麻省理工的科学家使用一种激光超声的形式在不接触皮肤的情况下生成人体的图像，这在传统的超声中是不可能实现的。现在，诺丁汉大学的研究人员则用它在材料科学领域开辟了一些令人兴奋的可能性。 k $^/$N  
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该团队设计了一个实验性的激光超声装置，它可以在约200微米的微小空间内产生高频波--约是两三根人类头发的宽度。激光器向样品材料发射一个高能量的光脉冲从而产生一个沿其表面传播的声波，另外通过一个内置的检测器进行跟踪以揭示单晶的方向及其弹性。同样令人印象深刻的是这项被称为SRAS++的技术能进行这些测量的速度。 v {HF}L  
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“SRAS++的开发是一个显著的突破，因为它提供了第一个在不知道材料中晶体分布的情况下测量弹性矩阵的方法，”共同领导这项研究的Matt Clark教授说道，“SRAS不需要对单个晶体进行精确的准备；它是快速的（每秒可以进行数千次测量）并提供无与伦比的测量精度。该技术的速度是这样的，我们估计我们可以在未来六个月内重复过去100年的所有历史弹性测量。” qfJ2iE|o2.  
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截止到目前，该团队通过在纯镍、钛和镍-CMSX-4合金上的实验验证了该设备的准确性。而之所以选择这些标本是因为它们在航空航天工程师中的地位。不过科学家们设想着SRAS++能帮助开发出具有定制硬度的新设计合金，这将不仅可以在飞机上使用还可以用于具有跟人体相匹配的弹性的假肢设备。 qF bj~ec  
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相关链接：https://phys.org/news/2022-02-elasticity-materials.html