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澳门新葡www.8455.com最新网站李法新课题组提出准确快速的模量损耗测量方法,有望取代美国ASTM标准

2020-02-18

近日,测量领域权威期刊Review of Scientific Instruments以“主编精选(Editor’s Pick)”(JAN 14, 2020)的形式在线发表了澳门新葡8455最新网站李法新课题组的论文 ”A modified piezoelectric ultrasonic composite oscillator technique for simultaneous measurement of elastic moduli and internal frictions at varied temperature” (https://doi.org/10.1063/1.5135360 )。该文提出了一种改性的压电超声复合振动方法,可在变温条件下准确快速地测量材料的模量(包括杨氏模量、剪切模量)和损耗(拉压损耗、剪切损耗)。其测量精度比美国ASTM现行标准(ASTM1875)高一个数量级,测量时间只需2秒,预计在不久的未来将取代ASTM标准成为科学界和工程界最常用的模量损耗测量方法。论文第一编辑是澳门新葡www.8455.com最新网站2018级博士生谢明宇,李法新研究员为通讯编辑。该工作受到了国家自然科学基金委面上项目和重大项目的资助。

模量和损耗作为固体材料的基本性质,其准确快速测量的意义毋庸置疑。然而,目前还没有一种方法可以同时测量材料的两种模量和损耗。测量模量最常用的方法是美国ASTM1875采用的自由梁振动法,该方法测量杨氏模量的误差可达到2%以内,测量剪切模量的误差相对较大,一般约5%。对于损耗的测量,目前还没有可靠的测量标准,最常用的是自由振动衰减法和共振曲线法,其误差一般为10%以上,而且往往比较耗时。

李法新课题组基于前期接触振动测量模量方法的积累,提出一种改性的压电超声复合振动方法(M-PUCOT),将厚度振动或扭转振动的压电圆环与圆柱状样品粘在一起(图1),来激励样品的纵向振动或扭转振动,通过测量压电圆环的导纳曲线(图2中黑线),利用谐振频率和反谐振频率,可直接显示求出样品的模量(杨氏模量和剪切模量)和对应的损耗。值得注意的是,该谐振频率和反谐振频率即是传统共振曲线的两个半功率点。实际上,该方法的核心思想就是将传统的样品共振曲线测量转化为换能器-样品复合系统的阻抗曲线测量,达到既准又快的效果。其测量模量的重复性误差小于0.2%,测量损耗的误差小于2.5%,精度比美国ASTM1875现行标准高一个数量级。测量时间只要2秒,而且只需加一段隔热的石英棒就可方便地测量变温条件下的模量和损耗。


图1 M-PUCOT方法中待测样品与压电圆环换能器示意图


图2 样品-换能器复合系统在共振频率附近的导纳曲线(黑线)和振幅曲线(红线)

该模量损耗测量方法M-PUCOT的提出可以说是近年来传统固体力学领域一项突破性的工作,由于它测量的准确性和快速性,它将成为研究固态相变(如马氏体相变,铁磁相变,铁电相变,等等)的通用手段,因为所有的固态相变都伴随着模量和损耗的异常变化。同时,由于它的测量精度比现有方法高一个数量级,以往难以用模量/损耗来捕捉的材料早期性能劣化(如疲劳,损伤等)将迎来新的转机。另外,该方法可采用同一个试件测量出4个材料参数,大大提高了测试效率并节省了测试成本。可以预见在不久的将来,该M-PUCOT方法将取代美国ASTM现行标准,成为科学界和工程界最常用的模量损耗测量方法。

 

 
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