Широкополосная вязкоупругая спектроскопия - Broadband viscoelastic spectroscopy

Широкополосная вязкоупругая спектроскопия (BVS) это методика изучения вязкоупругий твердые тела при изгибе и кручении. Он обеспечивает возможность измерения вязкоупругого поведения более одиннадцати десятилетия (порядков) время и частота: от 10−6 до 105 Гц.[1][2][3][4][5] BVS обычно используется для исследования вязкоупругих свойств. изотермически в широком диапазоне частот или как функция температуры на одной частоте.[3] Он способен измерять механические свойства непосредственно в этих частотных и температурных диапазонах; как таковой, он не требует время-температура суперпозиция или предположение, что свойства материала подчиняются Аррениус температурная зависимость типа.[4][5] В результате его можно использовать для неоднородный и анизотропный образцы, для которых эти предположения не применимы.[4] BVS часто используется для определения коэффициенты затухания,[2][6] динамические модули,[2][3][4] и особенно коэффициенты демпфирования.[1][2][3][4][5]

BVS был разработан в первую очередь для преодоления недостатков функциональных диапазонов других методов определения вязкоупругих свойств. Например, резонансная ультразвуковая спектроскопия (RUS), еще один популярный метод исследования вязкоупругих тел, испытывает трудности с определением параметров материала ниже его резонансная частота.[6] Кроме того, BVS менее чувствителен к пробоподготовке, чем RUS.

История

BVS был впервые разработан К. П. Ченом и Р. С. Лейксом в 1989 году с целью устранения недостатков существующих лабораторных методов исследования вязкоупругих материалов.[1] Позже он был уточнен M. Brodt et al. для повышения жесткости и разрешающей способности аппарата, которые были источниками ошибок в первоначальной конструкции.[1][7] Сначала учился полиметилметакрилат) (ПММА),[1][6] с тех пор он нашел применение в определении свойств кость,[2] конденсатор диэлектрики,[3] металлы с высоким демпфированием,[4] и другие подобные вязкоупругие материалы.

Дизайн

Аппарат BVS состоит из образца, окруженного Катушки Гельмгольца и изолирован от внешних вибраций каркасом из изоляционной пены и свинца или латуни.[1][2][4] К образцу прикрепляют как постоянный магнит, так и зеркало. Ориентация катушек по отношению к магниту при пропускании через них тока определяет, подвергается ли образец изгибу или скручиванию. Угловое смещение образца измеряется интерферометр который обнаруживает пространственное движение отраженного лазера. Эта пространственная форма волны преобразуется в электрическую световым детектором и считывается на осциллограф. Этот осциллограф также отображает крутящий момент или же сила осциллограмма конденсатора, управляющего током в катушках Гельмгольца. Фазовая задержка определяется путем сравнения этих сигналов.

Резонанс сводится к минимуму за счет использования коротких образцов, которые имеют более высокие резонансные частоты, а также за счет уменьшения инерции (магнитный и массовые моменты ) магнита. Кубический самариево-кобальтовые магниты идеальны для высокочастотных исследований.[1][4] Поскольку геометрия образца представляет собой короткий прямоугольный стержень или цилиндр, уравнение, определяющее резонанс геометрии образца BVS, имеет точное аналитическое решение, которое позволяет методике давать результаты даже для материалов с высокими потерями.[1][4] Это точное решение обеспечивает связь между динамическими модулями, угловым смещением и геометрическими параметрами.[4] Отсутствие дрейфа и трения в аппарате является причиной его большого диапазона рабочих частот.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час Chen, C.P .; Лейкс, Р. С. (1989). «Аппарат для определения вязкоупругих свойств материалов за десять десятилетий по частоте и времени». Журнал реологии. 33 (8): 1231–1249. Bibcode:1989JRheo..33.1231C. Дои:10.1122/1.550071.
  2. ^ а б c d е ж Бюхнер, П. М .; Lakes, R. S .; Swan, C .; Бранд, Р. А. (2001). «Широкополосное вязкоупругое спектроскопическое исследование бычьей кости: последствия для потока жидкости». Анналы биомедицинской инженерии. Springer Nature. 29 (8): 719–728. Дои:10.1114/1.1385813. ISSN  0090-6964. PMID  11556728. S2CID  1075003.
  3. ^ а б c d е Донг, Лян; Stone, Donald S .; Озера, Родерик С. (2008). «Широкополосная вязкоупругая спектроскопия, измерение механических потерь и модуля поликристаллического BaTiO.3 в зависимости от температуры и частоты ». Физика Статус Solidi B. Вайли. 245 (11): 2422–2432. Дои:10.1002 / pssb.200880270. ISSN  0370-1972.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j Wang, Y.C .; Ludwigson, M .; Лейкс, Р. (2004). «Деформирование особо вязкоупругих металлов и композитов». Материаловедение и инженерия: A. Elsevier BV. 370 (1–2): 41–49. Дои:10.1016 / j.msea.2003.08.071. ISSN  0921-5093.
  5. ^ а б c Ли, Т .; Lakes, R. S .; Лал, А. (июль 2000 г.). «Резонансная ультразвуковая спектроскопия для измерения механического демпфирования: сравнение с широкополосной вязкоупругой спектроскопией». Обзор научных инструментов. 71 (7): 2855–2861. Bibcode:2000RScI ... 71.2855L. Дои:10.1063/1.1150703.
  6. ^ а б c Аксой, Хусейн Гёкмен (апрель 2016 г.). «Широкополосная ультразвуковая спектроскопия для характеристики вязкоупругих материалов». Ультразвук. 67: 168–177. Дои:10.1016 / j.ultras.2016.01.012. PMID  26859428.
  7. ^ Brodt, M .; Cook, L. S .; Лейкс, Р. С. (1995). «Аппарат для измерения вязкоупругих свойств за десять десятилетий: уточнения». Обзор научных инструментов. 66 (11): 5292. Bibcode:1995RScI ... 66.5292B. Дои:10.1063/1.1146101.