TECLAB  丁侠 彭梓航 曾展鸿

摘要：弹性模量是材料设计的核心参数，在新材料的研究和开发过程中，材料模量表征测试可以帮助科学家和工程师了解材料的基本特性，从而优化其性能和应用范围。通过对现有材料进行模量表征测试，可以发现其潜在的缺陷和不足，为材料的改进提供依据。在生产过程中，材料模量表征测试可以确保产品质量的一致性和可靠性，降低生产成本和风险。弹性模量表征的技术手段种类很多。常见的测量手段是拉伸压缩或弯曲实验；还有纳米压痕；超声原子力显微镜；敲击共振法；超声共振法以及超声声速法。前三种属于静态测量法；相对于后面三种动态测量法测量精度和重复精度相对较低。而动态法中超声声速法因其测量简单准确适用性广受到大量科研工作者的青睐。UMS材料表征系统是一款基于声速测量法开发的弹性模量表征设备。UMS不仅优化了整个超声电路且配备了专用的模量测量分析软件，使得模量表征变得快速而简单。

关键字：超声材料表征系统，高熵合金，横向各向异性碳纤维复合材料，生物组织

介绍：UMS超声材料表征系统是TECLAB公司于2010年根据客户需求开发的一套用于新材料研发时进行声速；模量和声衰减表征的新型仪器。自上市以来因其操作简单测量准确受到了大量客户青睐。其中大部分客户来自各大高校的和研究所的材料学院。UMS为大量新材料研发的研究者们提供了简单便捷的表征手段。在此之前材料弹性模量的测量主要依靠拉伸压缩实验测量应力-应变曲线后通过测量曲线斜率分析杨氏模量等数据。该实验需要将实验加工成特定的形状（诸如工字型；用于拉伸试验）然后用试验机进行拉伸或压缩。试验后样品即被试验机破坏无法进行其他测试。且此类静态测试法（拉伸；压缩或完全等）测量精度和重复性不高；不仅需要将被测试样加工成特定形状且无法测量类似陶瓷玻璃等脆性材料也无法对有限尺寸材料进行测量。TECLAB公司研发的UMS材料表征系统则有效的弥补了以上缺陷。UMS超声材料表征系统具有如下优点：

1. 无损的表征材料弹性模量（C11和C44）；声速和衰减系数
2. 可以测量玻璃陶瓷等脆性材料
3. 可以测量生物组织材料
4. 可以测量有限尺寸材料（1mm直径）

应用场景一    BMG金属玻璃/高熵合金的模量表征

高熵合金在工程应用中的主要优势‌包括其优异的力学性能、耐腐蚀性和热稳定性。通过UMS超声材料表征系统的回波分析技术测量了高熵合金样品材料声速以及模量，检测系统和数据采集分析部分如下图所示。

图1 UMS材料表征系统

表1 高熵合金模量测量结果

应用场景二    横向各向异性碳纤维复合材料的模量表征

碳纤维复合材料在纤维方向上的拉伸强度和模量远高于其他方向，而在垂直于纤维方向上的性能则相对较弱。这种力学性能的各向异性使得碳纤维复合材料在承受载荷时表现出明显的方向性。具体测量方法如下：

图2  CFRP模量表征技术

通过旋转回转盘，对不同入射角的下的回波信号进行采集。通过测量模型求解反射板回波信号对应的透射系数，用于反演各向异性黏弹性模量。其中透射系数的计算公式为[90]：

其中为系统函数，表示超声检测平台的声电转换关系，为不同入射角下的背反射板的回波信号频谱，为背反射板垂直入射的反射系数，为探头自发自收时的衍射修正系数。对于活塞探头，可以近似表示为[95]：

其中为探头半径，为波数，为探头到背反射板的距离。由于CFRP碳纤维板较薄，因此忽略固体中声场的衍射效应，若需要进一步考虑固体中声场的衍射效应，需要通过角谱法对衍射效应进行精确的数值求解，求解效率低。

为了有效缩小求解区间，可以基于不同对称面下不同入射角下体波声速初步确定各向异性黏弹性模量的实部分布[76]。以无CFRP板时背反射板的回波信号作为参考，来求解纵波/横波在不同入射角下的声速：

其中为不同入射角含CFRP板时的回波信号和参考信号时差，为水声速，为试块厚度，则为入射角。当入射面与单一取向碳纤维重合时，即时，弹性模量可以根据垂直入射时的纵波声速初步确定：

而弹性模量可以根据斜入射时的横波声速确定：

对于剩下的三个独立模量，和则可以根据与碳纤维方向垂直的入射面进行确定，。根据Christoffel方程的解可知，剩余的三个未知变量与声速的关系为：

其中

同理构造最小二乘目标函数去拟合不同入射角下的理论声速：

上述方程中，为独立弹性模量个数，为不同入射角下的声速数量。和则分别对应为实验和理论相速度。

图3 探头频率5MHz时不同入射角下采集的回波信号

图4  对称面不同入射角下的解析和实验声速分布

表2  CFRP 模量测量结果

试块编号
1	107.03-0.42i	5.58-0.07i	11.76-0.25i	6.10-0.05i	5.21-0.19i
2	108.82-0.51i	5.62-0.06i	11.84-0.22i	6.05-0.05i	5.31-0.12i
3	109.56-0.36i	5.74-0.07i	12.10-0.21i	6.28-0.04i	5.36-0.13i

注：模量单位为GPa

应用场景三    生物组织测模量表征

生物组织的模量在医学研究和临床应用中具有重要意义。例如疾病诊断，药物开发，组织工程和再生医学。我们利用材料内部的声波传播速度来测量弹性模量。

图5 鸭肠的模量表征

表3  鸭肠模量测量结果

应用场景四    屏幕玻璃模量测量

消费类电子产品的显示屏保护玻璃不仅要考虑防划防刮；抗摔也是尤其重要的指标特性。自动苹果公司的全屏手机普及后。屏幕玻璃的抗摔性能变得尤为重要。从康宁公司的第六代大猩猩玻璃到华为的昆仑玻璃都均有非常优异的抗摔和防划性能。而屏幕玻璃的模量表征技术在抗摔玻璃研发和设计中起到了至关重要的作用。

图6   消费类电子产品的显示屏

表4  特种玻璃模量测量结果

应用场景五   近视研究中眼球内部结构测量

在近视防治及研究中发现：当近视发生时角膜与视网膜的距离发生了变化；如下图所示。

图7   近视发生图示

通过UMS超声材料表征系统配合特制的眼部超声探头对研究内部结构进行精确测量可以研究分析近视的发生及发展。下面以7天龄实验小鸡为例。将7天龄小鸡进行气体麻醉后测量其眼球内部各个结构的波形信号。

图8   小鸡眼球内部结果测量结果