革命性新技术诞生！可用激光超声波精确测量材料弹性与方向

时间：2022-02-18 20:16:18 来源： OFweek激光网

近期，诺丁汉大学的研究人员发明了一种革命性的新技术，并首次用利用激光超声波技术精确测量材料的微观弹性。这种技术被称为“SRAS++”，其工作原理是基于测量声波在材料表面的传播速度。

由工程与物理科学研究委员会(EPSRC)资助的这项创新，主要是使用高频超声生成微观结构的分辨率图像，并绘制材料中应力和应变之间的关系(弹性矩阵)。这些晶体通常肉眼是看不见的，但通过精确测量这些晶体表面的声速，可以揭示它们的方向和材料的固有弹性。

据悉，目前这项技术已经开始应用于航空航天等领域，以了解新材料和制造工艺的性能。在未来，这项技术将作为一种全新的方法，用于评估提高系统安全性的材料，如喷气发动机涡轮叶片或开发具有定制刚度的新设计合金，从而开启一个新的研究领域。例如，医用植入过程中使假体设备的刚度与人体的特性相匹配，以保证其协调运行。

组成金属合金等材料的微观晶体排列极其复杂，这些材料的大小、形状和数量可以千差万别。以往，测量这些材料的应力和应变之间的关系（即弹性矩阵），需要将它们切割或生长成单晶。

但这些技术并不能应用于科学已知的每一种材料，比如用于喷气发动机的钛合金。只有一小部分材料的弹性被测量过，这使得许多材料的确切性质仍不清晰。

该研究的共同负责人Paul Dryburgh：“许多材料(比如金属)是由小晶体组成的。这些晶体的形状和硬度对材料的性能至关重要。这意味着，如果我们像拉弹簧一样拉这种材料，它的拉伸力取决于这些成百上千甚至数百万晶体的大小、形状和方向。这种复杂的行为使得无法确定固有的微观刚度。这是一个100多年来一直存在的问题，我们一直缺乏足够的手段来衡量这些性能。”

不过，科学家们相信他们已经找到了解决这一困境的方法，即利用一种被称为激光超声波（laser ultrasound）的技术。传统的超声波将高频声波发送到样本(如人体组织)，并测量反射回来的声音以生成样本的图像，而激光超声波则使用光来产生这些声波。

该团队设计了一种实验性的激光超声波装置，可以在大约200微米的微小空间中产生高频波，这大约是2-3根头发的宽度。激光向样品材料发射高能脉冲光，产生沿其表面传播的声波，并由内置的探测器跟踪，以显示单晶的方向和弹性。

革命性新技术诞生！可用激光超声波精确测量材料弹性与方向

SRAS激光超声系统示意图：激光产生的高能脉冲光产生沿材料表面传播的声波。精确测量这种波的速度，就可以测得晶体的方向和弹性。(图片来源：诺丁汉大学)

此外，利用“SRAS++”技术进行这些测量的速度也同样令人印象深刻。通过测量声波在每个晶体中的传播速度，他们就可以在微观尺度上判断晶体的形状和材料的弹性矩阵。

“SRAS++的发展是一个显著的突破，因为它提供了第一个在不知道晶体在材料中的分布的情况下测量弹性矩阵的方法。”研究论文合著者Matt Clark教授解释，“SRAS不需要严格制备单晶，它速度很快(每秒可以进行数千次测量)，并提供了无与伦比的测量精度。这项技术的速度如此之快，以至于我们估计，我们可以在未来6个月内重复过去100年的所有历史弹性测量。”

目前，该团队已通过在纯镍、钛和镍- cmsx -4合金上进行实验，验证了该设备的准确性，并选择了适合航空航天工程师的样本。然而，科学家们认为，SRAS++能够开发出具有定制刚度的新型设计合金，这种合金不仅可以用于飞机，还可以应用于具有与人体高度适配的弹性假肢装置及设备。

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