小尺寸材料弹性常数超声测量系统的研制及其应用

　　0 引言

　　材料弹性常数是材料力学性能的重要表征参数。常规的测量方法(如力学性能试验等)无法测定难以加工或制备的小尺寸材料(如纳米材料)的弹性常数。文献[1,2]采用纳米压痕技术对薄膜材料和涂层的弹性常数进行了测定,但测试设备复杂昂贵,应用范围有限。Cao[3]采用高频声显微镜技术对铁纳米晶和钛纳米晶材料的弹性模量进行了测量。Comte等[4]将纳米压痕与声显微镜两种微探头技术相结合,测量了纯铝和石英玻璃各向同性材料的弹性模量和泊松比。Pastorelli等[5]第一次采用表面声波技术,对超薄金刚石薄膜的弹性常数进行了测定,给出了纳米薄膜的机械性能响应。Li[6]利用非接触式激光超声技术测量了纳米铝复合材料的弹性模量。Xu[7]利用脉冲激光产生超声波,压电薄膜接收超声波,测量了超声波在锌纳米结构中的速度与衰减。但这些技术都只能测量物体表面和次表面的性能,并且测试设备相当昂贵。Xiang[8]提出了另外一种简单的能够间接测量材料弹性常数的方法,即利用大口径无透镜线聚焦PVDF探头测量纵波和漏表面波波速的方法,对材料的特性进行评价。

　　本文针对各向同性的小尺寸材料弹性常数的测量问题,基于高频声学显微镜技术,采用线聚焦超声传感器,应用超声浸水技术同时测定纵波和漏表面波的波速,利用纵波和漏表面波波速计算出小尺寸材料的弹性常数。

　　1小尺寸材料弹性常数超声测量原理

　　图1a是利用线聚焦超声传感器测量材料的纵波和漏表面波波速的示意图,其中,F为传感器的焦距,U为瑞利角,z为散焦距。当传感器聚焦在试件表面时,只会接收到一个直接反射脉冲回波(D波)和底面反射回波信号(B波);将传感器向试件移动,使其散焦,就会产生两个分离的回波信号,一个回波信号直接由试件表面反射(D波),另一个为沿试件表面传播时产生的漏表面波(R波)。图1b为线聚焦传感器散焦时接收到的回波信号。若已知被测试件的厚度h、水中的波速CW、散焦距z、直接反射回波和底面回波时间差tB-tD,以及漏表面波在传播时间与散焦距平面上曲线的斜率m(散焦距和漏表面波与直接反射回波信号时间差的比值),则纵波波速和漏表面波波速可由下式计算得出[8,9]

　　如果被测材料的密度ρ、纵波速度CL以及漏表面波速度CR已知,可得到被测材料的泊松比T[10]:

　　材料的弹性模量E可由下式得到:

　　由式(3)、式(4)可知,只要测得材料的纵波波速和漏表面波波速即可测定材料的弹性常数。

　　2小尺寸材料弹性常数超声测量系统

　　2.1 实验装置