Фотоакустическая диагностика твердых тел - поли- и монокристаллов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиНаталья Ивановна ОДИНАФОТОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКАТВЕРДЫХ ТЕЛ: ПОЛИ- И МОНОКРИСТАЛЛОВСпециальность 01.04.06-акустикаАвторефератна соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМ о с к в а – 2006Работа выполнена на кафедре акустики физического факультетаМосковского государственного университета им.

М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Коробов А.И.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Карабутов А.А.кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник Пятаков П.А.Ведущая организация:Федеральное государственноеучреждение «Технологический институтсверхтвердых и новых углеродныхматериалов» Федерального агентства понауке и инновациямЗащита состоится «____»___________2006 г. в _____ часов на заседанииСпециализированного Совета Д 501.001.67 по специальности 01.04.06 акустика(пофизико-математическимнаукам)вМосковскомгосударственном университете по адресу:119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ.Автореферат разослан «_____»___________2006 г.Ученый секретарьСпециализированного Совета,кандидат физико-математическихнаук, доцентА.Ф.

Королев1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыФотоакустические (ФА) методы в последнее время находятширокое применение в неразрушающей диагностике твердых тел.Фотоакустический эффект, лежащий в основе этих методов,заключается в том, что при поглощении модулированного поинтенсивности светового излучения в конденсированной среде иокружающемеегазегенерируютсятепловыеволны,сопровождающиеся, вследствие теплового расширения, акустическимиволнами. Совершенствование техники эксперимента наряду с развитиемтеоретических представлений об особенностях формирования ФАсигнала в твердых телах привели к тому, что современные ФА методыстали одними из информативных и универсальных методов в физикетвердого тела.

ФА методы дают возможность проведения комплексныхисследований (в том числе и бесконтактных) оптических, тепловых,линейных и нелинейных акустических параметров вещества, в томчисле в образцах малого объема и произвольной формы, порошках,тонких пленках, биологических объектах.

ФА методы позволяютполучить информацию как о макроскопических, так и омикроскопических (в том числе квантовых) свойствах твердого тела.Вследствие сильного затухания тепловой волны вклад в ФАсигнал дают источники, расположенные в приповерхностном слоетвердого тела толщиной порядка длины тепловой волны, что даетвозможность глубинного профилирования (послойной интроскопии)непрозрачных объектов. Поэтому ФА спектроскопия является удобнымметодом исследования приповерхностных слоев твердого тела. Онаможет быть использована как для визуализации дефектов, так и дляколичественного определения теплофизических параметров, вчастности, температуропроводности.Известно, что прочность твёрдых тел зависит от нарушений ихсплошности: трещин, микропор, скоплений дислокаций и других"зародышей" процесса разрушения.

Размеры зародышей на начальнойстадии процесса разрушения обычно малы по сравнению с длинойакустической волны, и поэтому линейные упругие характеристикималочувствительны к дефектам структуры. Поскольку длина тепловыхволн много меньше, чем акустических (так, на частоте 1 МГц валюминии длина акустической волны составляет 6,4 мм, а тепловой2всего 10 −4 мм), это дает возможность микроскопического исследованияс хорошим разрешением.ФА сигнал в случае прямого детектирования колебаний зависитне только от линейных упругих параметров, но и от коэффициентатеплового расширения твердого тела, который определяетсяангармонизмом кристаллической решетки и может быть выражен черезупругие нелинейные модули третьего порядка, что дает возможностьисследования нелинейных акустических свойств твердого тела, в томчисле в критических точках.

Кроме того, это дает возможностьисследования тел, имеющих дефектную структуру, нелинейный откликкоторых, как известно, сильнее изменяется, чем линейный.Несмотря на то, что имеется большое количество работ,посвященныхФАэффектувконденсированныхсредах,диагностическиевозможностиэтогофизическогоявленияиспользованы, на наш взгляд, недостаточно. Поэтому создание иреализация новых методов диагностики твердых тел на основе ФАэффекта представляется актуальным.Цельюработыявлялосьсозданиеиреализацияэкспериментальных методов для диагностики твердых тел с помощьютепловых волн:• Диагностика поверхностных и подповерхностных дефектов вметаллах.• Созданиеэкспресс-методикдляопределениятемпературопроводности металлов в образцах малых размеровнетребующихпредварительнойкалибровки( 10 −9 м 3 ),измерительной установки.• Исследования анизотропии нелинейных упругих свойств твердыхтел в области температур 77-400 К.Поставленные цели работы предполагают решение следующихзадач:• Создание аппаратно-программного фотоакустического комплексадля неразрушающей диагностики твердых тел в режиме тепловыхволн с гармоническим и импульсным лазерным возбуждением сгазомикрофонной, пьезоэлектрической и термоэлектрическойрегистрацией тепловых волн.• Разработка импульсной фотоакустической методики длянеразрушающей диагностики твердых тел на основе временного и3спектрального анализа ФА сигнала.• Разработка и реализация экспериментальных методик длялокализации поверхностных и подповерхностных дефектов спомощью тепловых волн.• Создание автоматизированной экспериментальной установки иметодик для исследования анизотропии нелинейных упругихсвойств твердых тел фотоакустическим методом.1.2.3.4.5.Научная новизнаСоздан аппаратно-программный фотоакустический комплексдля неразрушающей диагностики твердых тел методомтепловых волн при их гармоническом и импульсном лазерномвозбуждении с временным и спектральным анализомфотоакустического сигнала.Экспериментальноисследованыповерхностные,подповерхностные и смешанные модельные дефекты вметаллических образцах.

Показано, что разработаннаяимпульсная фотоакустическая методика позволяет определитьпространственное положение и оценить размеры этихдефектов, а также обнаружить остаточные напряжения вметаллах.Разработаны экспресс-методики (термоэлектрическая ифотоакустическая),нетребующиепредварительнойкалибровкиипозволяющиеопределятьтемпературопроводность металлов в образцах малого объема.Разработана методика и экспериментально исследованоповедение параметра Грюнайзена в области фазовыхпереходов: а) в монокристалле титаната стронция в областиструктурного фазового перехода типа смещения при 105,5 К; б)вмонокристаллетриглицинсульфатавобластисегнетоэлектрического фазового перехода при 322 К; в) вполикристаллическомтитаневобластиэлектроннотопологического перехода в интервале температур 150-160 К.Обнаружено аномальное поведение параметра Грюнайзена вполикристаллическом титане при электронно-топологическомпереходе в области температур 150-160 К.4Практическая ценность работыРазработанные методики могут быть использованы в решениизадач материаловедения и в инженерной практике, использующейметоды фотоакустики:-для дефектоскопии поверхности и приповерхностных слоевметаллических объектов;-дляэкспресс-анализастепенидефектностиструктурыдеформируемого металла;-для измерения температуропроводности металлов;Данная работа выполнена при поддержке гранта ПрезидентаРоссийской Федерации № НШ-4449.2006.2 и грантов РФФИ № 02-0216186-а, 05-02-16327-а и 06-02-16658-а.На защиту выносятся:1.

Реализация ряда фотоакустических методов изучения твердых тел спомощью разработанных аппаратно-программных комплексов.2.Результатыэкспериментальногоисследованияостаточныхдеформаций в металлах.3. Результаты исследования претрансформационного эффекта вмонокристалле титаната стронция.4. Результаты экспериментального исследования анизотропиипараметра Грюнайзена в монокристалле триглицинсульфата в областисегнетоэлектрического фазового перехода.5.

Результаты экспериментального исследования и теоретическогоанализа поведения нелинейного параметра поликристаллическоготитана в области электронно-топологического перехода.Апробация работы и публикацииПо материалам диссертации имеется 15 публикаций, в том числе 6статей в журналах «Дефектоскопия», «Приборы и техникаэксперимента», «Измерительная техника», «Вестник Московскогоуниверситета. Серия 3.

Физика, астрономия», «Письма в ЖЭТФ», атакже 9 публикаций в трудах научных конференций.Результаты диссертации доложены автором на 9 всероссийских и2 международных конференциях: ХI Всесоюзной конференции поакустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Ленинград,1991),конференции«Ультразвуковыеилазерныеметодынеразрушающего контроля» (Киев, 1991), IEEE Ultrasonic Symposium(Cannes, 1994), конференции "Неразрушающий контроль в науке и5индустрии-94" (Москва, 1994), VI сессии Российского акустическогообщества (Москва, 1997), VIII сессии РАО (Нижний Новгород, 1998),XI и XIII сессиях РАО (Москва, 2001 и 2005 гг.), 16 международномсимпозиуме по нелинейной акустике (Москва, 2002), XVIII сессии РАО(Таганрог, 2006).Основные результаты диссертации опубликованы в работах [115].Личный вклад соискателяРезультаты, полученные в диссертации, получены личносоискателем или в соавторстве при его непосредственном участии.Структура и объем диссертационной работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав,заключения и списка цитируемой литературы.