Širokopásmová viskoelastická spektroskopie - Broadband viscoelastic spectroscopy

Širokopásmová viskoelastická spektroskopie (BVS) je technika studia viskoelastický pevné látky v ohybu i v kroucení. Poskytuje schopnost měřit viskoelastické chování přes jedenáct dekády (řádově) čas a frekvence: od 10−6 do 105 Hz.[1][2][3][4][5] BVS se obvykle používá buď ke zkoumání viskoelastických vlastností izotermicky ve velkém frekvenčním rozsahu nebo jako funkce teploty na jedné frekvenci.[3] Je schopen měřit mechanické vlastnosti přímo v těchto frekvenčních a teplotních rozsazích; jako takový to nevyžaduje superpozice čas-teplota nebo předpoklad, že materiálové vlastnosti se řídí Arrhenius -typová teplotní závislost.[4][5] Ve výsledku jej lze použít pro heterogenní a anizotropní vzorky, pro které tyto předpoklady neplatí.[4] BVS se často používá pro stanovení koeficienty útlumu,[2][6] dynamické moduly,[2][3][4] a hlavně tlumicí poměry.[1][2][3][4][5]

BVS byl vyvinut primárně k překonání nedostatků ve funkčních řadách jiných technik viskoelastické charakterizace. Například, rezonanční ultrazvuková spektroskopie (RUS), další populární technika pro studium viskoelastických pevných látek, má potíže s určováním parametrů materiálu pod jeho hodnotou rezonanční frekvence.[6] Kromě toho je BVS méně citlivý na přípravu vzorků než RUS.

Dějiny

BVS byl poprvé vyvinut C. P. Chenem a R. S. Lakesem v roce 1989 za účelem řešení nedostatků stávajících laboratorních technik pro studium viskoelastických materiálů.[1] To bylo později vylepšeno M. Brodtem a kol. zlepšit tuhost a rozlišení přístroje, které byly zdrojem chyb v původním návrhu.[1][7] Nejprve se studovalo poly (methylmethakrylát) (PMMA),[1][6] od té doby viděl aplikace při určování vlastností kost,[2] kondenzátor dielektrika,[3] vysoce tlumící kovy,[4] a další takové viskoelastické materiály.

Design

Přístroj BVS se skládá ze vzorku obklopeného Helmholtzovy cívky a izolovány od vnějších vibrací rámem vyrobeným z izolační pěny a buď olova nebo mosazi.[1][2][4] Vzorek je opatřen permanentním magnetem i zrcadlem. Orientace cívek vzhledem k magnetu, když jimi prochází proud, určuje, zda vzorek prochází ohybem nebo kroucením. Úhlový posun vzorku se měří pomocí interferometr který detekuje prostorový pohyb odraženého laseru. Tento prostorový průběh se pomocí světelného detektoru převede na elektrický a přečte na osciloskop. Tento osciloskop také zobrazuje točivý moment nebo platnost křivka z kondenzátoru pohánějícího proud v Helmholtzových cívkách. Fázové zpoždění je určeno porovnáním těchto křivek.

Rezonance je minimalizován použitím krátkých vzorků - které mají vyšší rezonanční frekvence - a snížením setrvačnosti (magnetický a hromadné okamžiky ) magnetu. Krychlový samarium-kobaltové magnety jsou ideální pro vysokofrekvenční studia.[1][4] Vzhledem k tomu, že geometrií vzorku je krátká obdélníková tyč nebo válec, má rovnice, která řídí rezonanci geometrie vzorku BVS, přesné analytické řešení, které umožňuje technice přinést výsledky i pro materiály s vysokou ztrátou.[1][4] Toto přesné řešení poskytuje vztah mezi dynamickými moduly, úhlovým posunem a geometrickými parametry.[4] Vlastní nedostatek driftu a tření v přístroji je zodpovědný za jeho velký rozsah provozních frekvencí.

Reference

  1. ^ A b C d E F G h Chen, C. P .; Lakes, R. S. (1989). "Zařízení pro stanovení viskoelastických vlastností materiálů za deset desetiletí frekvence a času". Journal of Rheology. 33 (8): 1231–1249. Bibcode:1989JRheo..33.1231C. doi:10.1122/1.550071.
  2. ^ A b C d E F Buechner, P. M .; Lakes, R. S .; Swan, C .; Brand, R. A. (2001). „Širokopásmová viskoelastická spektroskopická studie hovězí kosti: důsledky pro tok tekutin“. Annals of Biomedical Engineering. Springer Nature. 29 (8): 719–728. doi:10.1114/1.1385813. ISSN  0090-6964. PMID  11556728. S2CID  1075003.
  3. ^ A b C d E Dong, Liang; Stone, Donald S .; Lakes, Roderic S. (2008). „Širokopásmová viskoelastická spektroskopie pro měření mechanických ztrát a modulu polykrystalického BaTiO3 vs. teplota a frekvence ". Physica Status Solidi B. Wiley. 245 (11): 2422–2432. doi:10.1002 / pssb.200880270. ISSN  0370-1972.
  4. ^ A b C d E F G h i j Wang, Y.C .; Ludwigson, M .; Jezera, R.S. (2004). "Deformace extrémních viskoelastických kovů a kompozitů". Věda o materiálech a inženýrství: A. Elsevier BV. 370 (1–2): 41–49. doi:10.1016 / j.msea.2003.08.071. ISSN  0921-5093.
  5. ^ A b C Lee, T .; Lakes, R. S .; Lal, A. (červenec 2000). „Rezonanční ultrazvuková spektroskopie pro měření mechanického tlumení: Porovnání s širokopásmovou viskoelastickou spektroskopií“. Recenze vědeckých přístrojů. 71 (7): 2855–2861. Bibcode:2000RScI ... 71,2855L. doi:10.1063/1.1150703.
  6. ^ A b C Aksoy, Hüseyin Gökmen (duben 2016). "Širokopásmová ultrazvuková spektroskopie pro charakterizaci viskoelastických materiálů". Ultrazvuk. 67: 168–177. doi:10.1016 / j.ultras.2016.01.012. PMID  26859428.
  7. ^ Brodt, M .; Cook, L. S .; Lakes, R. S. (1995). "Přístroj pro měření viskooksických vlastností v průběhu deseti desetiletí: Vylepšení". Recenze vědeckých přístrojů. 66 (11): 5292. Bibcode:1995RScI ... 66,5292B. doi:10.1063/1.1146101.