книги / Применения ультразвука

Температура (К)

Рис. 8.13. Относительное изменение скорости (а) продольных и (Ь) поперечных волн в боросиликатном стекле как функция температуры

ратура Дебая явно связана с температурой сверхпроводимости фа­ зового перехода (7.). С помощью температуры Дебая был хорошо изучен процесс проводимости в полупроводящих стеклах [89—91]. Более того, она применяется для получения знаний об аморфной природе и структурных изменениях [91—94] в таких стеклах, как борат, силикат и теллурит, а также определения характеристики спектра колебаний в кристаллических материалах [95].

Другим важным аспектом является выбор изопаузных (isopaustic) стекол с помощью ультразвуковых исследований. В данном контексте целесообразно рассмотреть способы применения многих акустических устройств, таких как линии задержки, фильтры и вол­ новоды. Втаких приборах материалы должны обладать максималь­ ной термостойкостью в диапазоне рабочих температур. Стекла, связанные в четырехгранную структуру [96], такие как Si02, GeOz и BeF2, будут иметь положительный температурный коэффициент скорости звука с минимумом температурной стабильности.

Такие стекла, как В2 0 3, As2 S3, с планарной структурой имеют отрицательный температурный коэффициент в широком диапазо­

не: от экстремально низких до высоких температур [96]. В много­ компонентных стеклах можно добиться изопаузы путем изменения состава стеклянной системы. Изопаузная природа двухкомпонен­ тной стеклянной системы V2 0 5 -Ge02 [96] была замечена в составе

(V 2°5)o.3184<G e 0 2) 0.68.6 И ^ 2 ° 5 > 0,395l(G e O 2) 0,6049 В ТвМПвратурНЫХ ДИЗ-

пазонах от 265 до 300 К и от 230 до 300 К соответственно. Вариации скорости и затухания в стеклянной системе V2 0 5 -Ge02 показаны на рис. 8.14 и 8.15.

3.45 ■

Рис. 8.14. Температурная зависимость скорости (а) продольных и (Ь) поперечных волн в стекле V20 5-Ge02

Рис. 8.15. Температурная зависимость затухания в стекле V20 5-Ge02

Работа сил упругости в атомистическом подходе Постоянные упругости стекол можно определить с помощью

атомистического подхода, который описан ниже. Как правило, в твердых телах кривые потенциальной энергии Кондона—Морзе,

рехода. Значимость ультразвуковых измерений была подтверждена теорией Бардина-Купера-Шриффера (BCS) [108], в которой экс­ поненциальное снижение затухания ультразвука после достижения Тсиспользовалось для получения энергетического интервала в тра­ диционных металлических сверхпроводниках. В случае проводни­ ков II типа изменение скоростиультразвука при низкой температуре использовалось для объяснения фазового перехода в сверхпроводя­ щих материалах. Природа затухания, уменьшающегося после дости­ жения Г, объяснялась через взаимодействие ультразвуковых волн и электронов проводимости в металле. Снижение скорости звука при низкой температуре впервые было измерено в новых сверхпровод­ никах, а именно в бариевом купрате лантана, сплаве II типа [109].

Позже аналогичным измерениям подвергались другие семейс­ тва сверхпроводников с высокими температурами фазового пере­ хода. На начальных стадиях вклад ультразвуковых свойств в оцен­ ку состояния сверхпроводимости был не на должной высоте. Как результат были определены постоянные упругости в зависимости от диффузии кислорода. Многие исследователи изучали влияние пористости на ультразвуковые волны. Элмонд [110] попытался провести обзор непоследовательностей в измеренной скорости ультразвука в бариевом купрате иттрия (YBCO). Пористость игра­ ет существенную роль в измерениях скорости в образцах.

Пористость Материалы с высокотемпературной сверхпроводимостью име­

ют керамическую природу. По этой причине пористость является единственным наиболее важным параметром, который определяет общую прочность сверхпроводников. Самым распространенным способом подготовки сверхпроводящего материала является так на­ зываемый метод встряска-обжиг. В данном методе нужное количест­ во порошков хорошо смешивают и подвергаютобжигудля получения смешанного порошка. Затем порошок спрессовывают, придавая ему форму таблетки. После этого посредством спекания таблетки, то есть расплавления частиц порошка, получают твердое тело. Пористость образца зависит от размера частиц порошка и времени спекания. Понятно, что скорость ультразвука представляет собой убывающую функцию пористости среды распространения. Измерения скорости ультразвука успешно применяются для оценки пористости матери­ алов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью. К тому же используется теоретическая оценка пористости в сверхпро-

водящих материалах [1 1 1 , 1 1 2 ], которая основана на теориях мно­ гократного рассеяния, предложенных Сэйерсом и Смитом [113]. Ультразвуковой метод не только дает общую оценку пористой доли, но и предоставляет информацию об изолированных скоплениях пор или порахкрупного размера, наличие которых недопустимо [114].

Модуль упругости Определение модуля упругости является первоочередным фак­

тором в исследовании сверхпроводящих материалов. Хорошо из­ вестно, что в поликристаллах существуют два независимых модуля упругости, например модуль объемной упругости и модуль сдвига. Их можно оценить посредством измерения скорости продольной и поперечной волн в сверхпроводящих материалах, как описано вдан­ ной главе. Все остальные модули рассчитывают на основе двух вы­ шеназванных. Некоторые исследователи сообщали об аномалиях в изменении модулей упругости в сверхпроводящих материалах [115— 118]. Аналогичные аномалии в вариациях скорости в образце сверх­ проводящего материала YBa2 Cu3 0 7 6 [119] показаны на рис. 8.17.

Рис. 8.17. Относительная скорость звука как функция температуры в крупнозернистом образце YBa2Cu30 7 6 (Тс = 87 К)

Содержание кислорода Влияние содержания кислорода, микротрещин и т.д. на модули

упругости представляет очередную важную тему, которая еще не была полностью изучена с помощью ультразвуковых измерений.

Такие свойства, как сверхпроводимость, температура фазового перехода и критическая плотность тока в сверхпроводнике, силь­ но зависят от содержания кислорода. Предпринимались попытки объяснить зависимость скорости звука от содержания кислорода.

Анизотропия

Измерения затухания и скорости ультразвука использовались для выявления крупной анизотропии в спеченных кованых образ­ цах сверхпроводящего материала. При использовании продоль­ ных и поперечных волновых мод возможны пять разных конфигу­ раций звуковых волн относительно оси ковки. Когда продольные волны распространяются перпендикулярно оси ковки, на кривой зависимости затухания от температуры наблюдаются три пика при температурах 70,180 и 250 К. Однако, когда продольные и по­ перечные волны движутся параллельно оси, наблюдается только один пик при 180 К. Затухание поперечных волн, распространяю­ щихся вдоль оси ковки, усиливается с понижением температуры. Аномальное поведение поперечных волн вдоль оси объясняется релаксационным процессом, включающим сдвиговые смещения неодинаковых кристаллитов в окружающей матрице. Кроме того, сообщают об анизотропии в вариациях скорости при измерениях в диапазоне температур от 50 до 300 К.

Фазовый переход Переход в сверхпроводящее состояние представляет со­

бой термодинамическое фазовое превращение второго типа. Следовательно, различия проявляются в производных от термо­ динамических потенциалов в сверхпроводящем и нормальном со­ стояниях. Эти различия ясно отражены в результатах измерений удельной теплоемкости, затухания, модулей упругости и скорости звука [125]. Измеренное затухание [126] в спеченных и кованых сверхпроводящих материалах демонстрирует несколько пиков при температуре от 70 до 300 К. Наблюдаемые пики затухания обусловлены релаксацией, которую можно связать с возбуждени­ ем, ответственным за высокую температуру перехода сверхпро­ водников. Однако в сверхпроводящих структурах, основанных на таллии, пики появляются вблизи фазового перехода в сверхпро­ водящее состояние. В некоторых материалах измерения скорости демонстрировали скачок величины до 2 0 0 промиль (ррт) в пере­ ходной области [125].

Измерения скорости ультразвука в системе LaSrCuO [126] показывают ее значительное уменьшение при температуре ма­ териала 200 и 100 К. Некоторые исследователи [127, 128] также наблюдали прерывности в изменении скорости при температу­ ре перехода. Пики затухания тоже отмечаются в измерениях при 200 и 100 К. Пик, наблюдаемый при 200 К, связан со структур­ ным переходом от высокотемпературной тетрагональной фазы к орторомбической фазе, проявляющимся в значительном умень­ шении скорости. Аналогично пик при 100К вызван структур­ ным переходом от орторомбической фазы к низкотемпературной тетрагональной фазе. Кроме того, после перехода в состояние сверхпроводимости тоже наблюдался пик, возникновение ко­ торого приписывается релаксационным процессам. Подобные особенности поведения затухания и скорости также наблюдались в YBaCuO [124, 128—130]. Ражендран (и др.) [121] изучал зави­ сящие от концентрации акустические и электрические свойства высокопроводящего материала Bi3 5 Pb0 5 Sr3 Ca3 Cu4 0 z+xAg2 0 , яв­ ляющегося предшественником сверхпроводников с высокой Тс.

8.4.5. Биоактивные стекла

Важной деятельностью в области медицины является замена пов­ режденных или больных частей тела подходящими твердыми мате­ риалами. Выбор материалов зависит от ряда факторов. Физические и биологические свойства материала должны соответствовать тка­ ням, с которыми он соприкасается, чтобы избежать отрицательных реакций и достичь полезного взаимодействия материала и тканей. Биоматериалами, которые обладают вышеназванными свойства­ ми, являются металлы, полимеры и керамика. Иногда применяется комбинация этих веществ. Имплантанты следует выбирать так, что­ бы обеспечить эффективное взаимодействие материала с тканями.

В последние годы значительный интерес завоевали биоактив­ ные стекла [131]. Эти стекла способны образовывать химическую связь с костью [132]. Первым шагом в процессе соединения кости со стеклом является выщелачивание последнего, в результате чего на поверхности стекла формируется гидратированный слой. После этого на стеклянной поверхности наращивают слой фосфата каль­ ция, что позволяет связать стекло и новую кость [133]. Для эффек­ тивного соединения важно изготовить правильный состав раствора и выбрать подходящую структуру стекла с помощью процедуры оп­ тимизации [134].

Хенч [135] был первым исследователем, который предпринял попытку сформировать слой апатита на стеклах системы Na2 0- Ca0-Si02 -P2 0 5 как в пробирке, так и в живом организме. С тех пор многие исследователи считали, что P2 Os важен для образова­ ния апатитного слоя на поверхности в моделирующей тело жид­ кости (SBF). Кокубо (и др.) [136, 137] показал, что стекла Na2 0- CaO-Si02, которые не включают Р2 0 5, образуют слой апатита на поверхностях в SBF. Недавние исследования [138, 139] системы Na2 0-Ca0-P2 0 5 -Al2 0 3 -Si02 подтвердили биоакгивность этих сте­ кол. В последние годы лишь несколько групп [140, 146] проявили интерес к разработке биоактивных стекол, изучению воздействия SBF, микроструктурных, механических и химических свойств сте­ кол. Некоторые группы [141] лишь недавно сосредоточились на разработке биоактивных стекол. Например, Хеймо Илайнен (и др.) [142] изучал пористые стекла, которые образуются в результате спекания биоактивных стеклянных микросфер, и их воздействие при погружении в SBF. Изабо (и др.) [143] уделял особое внимание микроструктурным механическим и химическим свойствам стек­ локерамики, содержащей апатит и кристаллы лейцита. Джеймс [144] исследовал новую структуру и способы применения стекло­ керамики. Подобно тепловому расширению, электрическим и диэ­ лектрическим свойствам и т.д., изучение распространения ультра­ звуковых волн в биоактивных стеклах и стеклокерамике является важным инструментом, позволяющим оценить коэффициенты уп­ ругости, микротвердости, коэффициент Пуассона и связанные с ними свойства для последующего применения в биомедицине.

Зависимость различных акустических параметров [150] от со­ става четко указывает на тот факт, что добавление Р2 0 5 в систе­ му стекла влияет на все свойства материалов. Было замечено, что степень формирования апатитного слоя в SBF повышается при добавлении Р2 0 5 к В2 Оэ и Na2 0-Ca0-Si02, не содержащему А12 0 3,

ипонижается при добавлении Р2 0 5 к стеклам Na2 0-Ca0-B2 0 3- A^Oj-SiOj. Аналогичные результаты в такой же системе были по­ лучены с использованием дифракции рентгеновских лучей (XRD)

ив ходе инфракрасной спектроскопии с фурье-преобразованием (FTIR) [151]. Таким образом, наблюдаемые повышение и по­ нижение степени формирования апатитного слоя отражаются в зависимостях различных акустических параметров от состава материала. Ражендран (и др.) [152] попытался исследовать моду­ ли упругости, твердость, трещиностойкость и их связь с механи-

ческими свойствами биоактивных стекол Si02 -Na2 0-Ca0-P2 0 5 в биоактивной области или вблизи нее. Ультразвуковые исследо­ вания помогли выяснить, каково воздействие термообработки на физические свойства биоактивного стекла SiOj-NajO-CaO-K^O- Mg0-P2 0 5 -B2 0 3 [153].

8.5. Микроструктурная характеристика

Очень важно удостовериться в том, что в компонентах, прошедших механическую и тепловую обработку, микроструктура соответству­ ет требуемой. Кроме того, огромное значение имеет оценка износа материалов и компонентов (в результате микрострукгурного разру­ шения) в процессе эксплуатации, что связано с условиями работы. Главными механизмами, ответственными за износ, являются кор­ розия, ползучесть, усталость, коррозия под напряжением и хруп­ кость. Эти разрушающие механизмы связаны с прогрессирующими изменениями микроструктуры и субструктур, которые приводят к ухудшению механических характеристик, возникновению и рас­ пространению трещин. Обнаружение и оценка изменений микро­ структур и субструктур методами NDTпомогают выявить старение компонентов и структур, предсказать и продлить срок службы. В настоящее время методом NDT, который преимущественно ис­ пользуется для реальных компонентов, является внутренняя метал­ лография. Данный метод дает информацию только о выборочных участках материала, в то время как другие методы NDT позволяют получать информацию о нескольких участках и даже обо всем объ­ еме в целом. В последние годы ультразвуковое NDT проявило себя как один из потенциальных методов оценки микрострукгурного разрушения в компонентах, находящихся в процессе эксплуатации.

Следующие разделы посвящены рассмотрению микроструктурных характеристик, оцениваемых с помощью методов NDT. размер зерна, текстура, рекристаллизация, выпадение осадка и т.д.

8.5.1. Измерения размера зерна

Средний размер зерна поликристаллического материала является важным конструкционным параметром. Размер зерна в матери­ алах обычно определяют с помощью металлографических мето­ дов. Для этого производится надрезание, шлифовка, травление. Микроструктуру рассматривают через микроскоп или делают