АКУСТИЧЕСКИМ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 1, с. 26-31
ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.221
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН
И РАСЧЕТ УПРУГИХ ПОСТОЯННЫХ В НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ ПИРОУГЛЕРОДЕ
© 2008 г. А. Н. Бехтерев
Кафедра компьютерной фотоники Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики E-mail: alexbehterev@yandex.ru Поступила в редакцию 6.12.06 г.
В работе исследована дисперсия скорости распространения ультразвуковых волн (УЗВ) в области частот 0.5-25 МГц в образцах пироуглерода (ПУ) с монотонно изменяющейся структурой. На основе измеренных скоростей продольных и поперечных УЗВ проведен расчет упругих постоянных образцов ПУ с температурами обработки 2100-3200°С.
PACS: 43.35.+d
Углерод в конденсированном состоянии обладает полиморфизмом, связанным с возможностью реализации различных типов гибридизации валентных электронных орбиталей: карбин (зр-), графит (зр2-), алмаз (зр3-). В последнее время интенсивно исследуются нанокристаллические каркасные углеродные структуры: фуллерены и углеродные нанотрубки (зрп- , 2 < п < 3) [1]. В отмеченных углеродных системах физические свойства изменяются от типично металлических до диэлектрических. Пиролитический углерод в данной классификации принадлежит к гексагональным поликристаллическим структурам, состоящим из графитоподобных субмикронных частиц, разделенных менее упорядоченной углеродной фазой [2, 3]. Образцы ПУ получают разложением (пиролизом) углеводородной газовой фазы в инертной среде на горячую основу, чаще - графитовую, при температуре (1600-2100°С). Размеры и степень совершенства нанокристаллов ПУ можно увеличивать термической и термомеханической обработкой до Т0 = 3200°С в инертной атмосфере при давлении до 50 МПа. Образцы ПУ с Т0 > 2500°С называют пирографитом (ПГ). Пиро-графит обладает высокой химической инертностью, прочностью, тепло- и электропроводностью, низкой пористостью, поликристалличностью, возрастающей анизотропией физических свойств при увеличении Т0. Все это определяет высокую технологичность ПУ и ПГ, особенно для создания композитных углеродсодержащих систем, получивших применение в авиа-, ракетостроении, в химической промышленности и энергетике [2, 3].
При расчетах механических, электронных и оптических свойств в инфракрасной области спектра конденсированных систем на основе углерода важнейшим параметром выступает скорость распространения продольных и поперечных УЗВ (V, vт), значения которых зависят в основном от степени совершенства их кристаллической структуры, технологии приготовления образцов и наличия текстуры. По значениям скорости УЗВ можно провести расчеты модулей упругости материалов с учетом направления волнового вектора и осей симметрии кристаллов.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе экспериментально исследуется дисперсия скорости распространения продольных и поперечных УЗВ, проводится расчет упругих постоянных в нанокристаллических образцах ПУ с монотонно изменяющейся степенью совершенства кристаллической структуры. Методом изменения размеров и степени совершенства нанокристаллов была выбрана термическая обработка образцов в инертной среде в интервале температур Т0 = 2100-3200°С (температура пиролиза Пу составляла 1600°С) [1, 3]. Основные структурные параметры образцов помещены в табл. 1 [4].
С увеличением Т0 наблюдается монотонное уменьшение межплоскостного расстояния в гексагональной решетке ПУ, что приводит к увеличению силы межатомного взаимодействия атомов углерода вдоль с-оси. Рост размеров нанокристаллов происходит за счет уменьшения доли менее структурно организованного углерода, рас-
Таблица 1. Основные структурные параметры образцов пироуглерода
№, п/п Параметры Образцы ^^^^^^ А)02, Ä La, Ä Lc, Ä p, кг/м3
1 СУ-1500 3.510 35 25 1550
2 ПУ-2100 3.420 370 210 2227
3 ПУ-2500 3.410 400 240 2247
4 ПУ-3000 3.368 860 310 2255
5 ПУ-3200 3.360 > 104 > 104 2260
Примечание: Ьа, Ьс - размеры нанокристаллов ПУ вдоль а- и с-осей относительно гексагональной плоскости, -О002 - межплоскостное расстояние, р - плотность образца.
положенного по периферии нанокристаллов. Атомы углерода в этих областях находятся в виде линейных углеродных цепочек, лент, кластерных каркасных образований [1, 5]. Для сравнения в табл. 1 помещен образец квазиаморфного конденсированного нанокристаллического углерода -стеклоуглерода (СУ-1500), полученного карбонизацией фенолформальдегидной смолы при термической обработке до 1500°С по стандартной методике [4]. Данный образец (СУ-1500) имеет структуру объекта с примерно одинаковыми размерами нанокристаллов вдоль гексагональных а-и с-осей, с межплоскостным расстоянием существенно большим, чем в ПУ. Большая доля атомов углерода в образце СУ-1500 находится в неупорядоченной, так называемой "турбостратной" фазе [3, 4]. При увеличении степени совершенства кристаллической структуры, уменьшении межатомных расстояний и концентрации дефектов должна возрастать скорость УЗВ [5, 6].
Для определения скорости УЗВ применен метод прямого определения времени распространения волны по известной базе при нормальном падении на поверхность плоскопараллельного образца. Размеры образцов ПУ составляли 5-10 мм, точность измерения размеров равна 0.01 мм. Однако при сложном анализируемом сигнале применялся также резонансный метод определения скорости волны, когда в преобразовании Фурье исходного спектра в эхо-ударном методе происходило увеличение интенсивности сигнала при определенных (резонансных) частотах, связанных с размерами образца в направлении распространения волны [7, 8].
В работе использовался УЗ дефектоскоп фирмы Апёес (Апёезсоре АБТ-2000) с раздельными генерирующим и принимающим пьезоэлемента-ми (ПЭ). Пьезоэлементы изготовлены из керамики Ь2Т (свинец-цирконат титана) с максимальной амплитудой по напряжению до 2 кВ, с возможностью задержки захвата сигнала до 20 мс и усилением сигнала до 80 дБ. Прибор имел возможность работы в теневом, эхо-импульсном и эхо-ударном режимах с получением Л-скана в координатах
амплитуда-время [6, 7]. В процессе измерений плоскопараллельные образцы с применением иммерсии помещались между ПЭ генератором и приемником УЗВ в режимах исследования проходящего сигнала и в эхо-ударном методе при анализе эхо-сигнала. При работе резонансным методом проводилась программная обработка первичного сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT) для получения B-скана в координатах амплитуда-частота для анализа резонансных частот. В комплект прибора входили узкополосные иммерсионные ПЭ с максимальной чувствительностью регистрации сигнала на частоте 100 кГц и широкополосные ПЭ с сухим точечным контактом (диаметр рабочей части 0.3 мм). Интервал частот зондирующих УЗВ составлял 0.2-25 МГц с дискретным изменением частот волны.
ОБСУЖДЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для расчета скорости УЗВ использовались стандартные методики [6-8]. Конкретному анализу подвергались A- или B-сканы, B-скан 1(ю) рассчитывался на основе экспериментально измеренного A-скана I(t). Скорость УЗВ при анализе A-скана определялась стандартно по измерению времени прохождения сигнала вдоль известной базы [6, 8]. В резонансной методике исходный спектр I(t) программно обрабатывался с помощью Фурье-преобразования в спектр 1(ю), где ю -циклическая частота волны:
1(ю) = (2 rc)-1/2Jl( t) exp (-Ш)д t.
В разложении Фурье регистрируемого сигнала компоненты с максимальной амплитудой (резонансные частоты) имели наибольшие значения амплитуд. Для резонансных частот справедливо выражение, с помощью которого определялась скорость УЗВ [6, 7]:
v = l югк / п,
где v, l - скорость УЗВ и длина образца в направлении зондирования, юг - резонансная частота,
Рис. 1. Типичные ультразвуковые А- и В-сканы для образца ПУ-3000.
определенная экспериментально, к, п - постоянные числа.
На рис. 1 приведены типичные примеры ультразвуковых А- и В-сканов для образца ПУ-3000. На А-скане выявляются сигналы, обусловленные эффектами многократного отражения сигнала между границами поверхности образца, на В-ска-
не можно определить сигналы, соответствующие резонансным частотам.
Скорость УЗВ измерялась на дискретных частотах в интервале 0.5-25 МГц. На рис. 2, 3 приведены графики зависимости скорости УЗВ в исследуемых образцах в изучаемом диапазоне частот по двум взаимно перпендикулярным на-
Скорость волны (а-ось), м/с 12000
11000
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
30001 | _
' 0 Т" 10
15
20 25 V, МГц
Рис. 2. Зависимость скорости распространения УЗВ вдоль а-оси образцов пироуглерода 1 - ПУ-2100, 2 - ПУ-2500, 3 - ПУ-3000, 4 - ПУ-3200.
Скорость волны (с -ось), м/с 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400
3
10
15
20 25 V, МГц
Рис. 3. Зависимость скорости распространения УЗВ вдоль с-оси образцов пироуглерода: 1 - ПУ-2100, 2 - ПУ-2500, 3 - ПУ-3000, 4 - ПУ-3200.
4
2
Таблица 2. Скорости УЗВ на частоте 500 кГц и рассчитанные упругие характеристики образцов пироуглерода
№ п/п ^^^^^Параметры Образцы^^^^^^ Vcl, м/с Val, м/с Vct, м/с VaT, м/с Ec, ГПа Ea, ГПа
1 СУ-1500 3966 3966 2376 2376 10.00 10.00
2 ПУ-2100 3030 4240 1815 2540 8.38 16.41
3 ПУ-2500 2240 4200 1342 2516 4.62 16.24
4 ПУ-3000 1755 5949 1052 3564 6.00 26.10
5 ПУ-3200 2913 11308 1745 6762 7.86 118.44
Примечание: Еа и Ес - модули Юнга, рассчитанные для направлений вдоль и перпендикулярно гексагональной плоскости (плоскости осаждения ПУ).
правлениям по отношению к плоскости осаждения. Учитывая предполагаемую монотонную зависимость, результаты представлены в виде гладких графиков. На всех графиках наблюдалась монотонная тенденция уменьшения скорости УЗВ с ростом частоты при наличии слабовыра-женного локального минимума в области частот 5 МГц, который в более совершенных образцах (ПГ) превращался в область перегиба и смещался в область 12.5 МГц. Скорость УЗВ в плоскости осаждения в 2-3 раза превышает таковую в перпендикулярном направлении. Отмеченная зависимость скорости волны от частоты характерна для нормальной дисперсии.
Наибольшие изменения скорости приходились на область 0.5-5 МГц, в диапа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.