Применение ультракоротких импульсов фокусированного ультразвука для характеризации современных углеродных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ИНСТИТУТ БИОХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ им. Н.М. ЭМАНУЭЛЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Лаборатория акустической микроскопии

На правах рукописи УДК 534.211

ПЕТРОНЮК Юлия Степановна

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ХАРАКТЕРИЗАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

01.04.06-акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в лаборатории акустической микроскопии Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля Российской Академии наук

Научные руководитель:

кандидат физико-математических наук Левин Вадим Моисеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор Коробов Александр Иванович

кандидат* физико-математических наук Прохоров Вячеслав Максимович

Ведущая организация:

Акустический институт им.ак.Н.Н.Андреева

Защита состоится « » 2005 г. в 15 часов на заседании

Специализированного Совета Д 501.001.67 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Воробьёвы Горы, МГУ, физический факультет, ауд. ЦФА им. Р.В.Хохлова.

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « » 2005 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета Д 501.001.67 кандидат физико-математических наук

А.Ф. КОРОЛЁВ

2006-4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Ультразвук уже многие десятилетия применяется для измерения упругих и вязких свойств материалов. Традиционно ультразвуковые методы основываются на использовании плоских пучков и применяются для изучения однородных образцов, либо для измерения интегральных параметров среды. Общая тенденция современной науки и техники - переход к многофазным средам, системам с микро- и наноструктурной организацией, определяет всё возрастающую потребность в методах оценки структуры и измерения локальных свойств материалов. Ультразвуковые методы играют существенную роль среди методов характеризации, т.к. для многих композитов, многофазных и градиентных материалов именно механические свойства и структура являются ключевым фактором, определяющим возможное применение и высокие потребительские качества. Для изучения объектов с неоднородной внутренней структурой или распределенными свойствами становится необходимым измерять локальные значения упругих характеристик. Применение фокусированных высокочастотных пучков обеспечивает такую возможность -фокусированное излучение эффективно взаимодействует с объектом главным образом внутри малой фокальной области. Применение фокусированного высокочастотного ультразвука лежит е основе методов акустической микроскопии. В классической акустической микроскопии используются короткофокусные акустические линзы и длинные зондирующие импульсы с гармоническим наполнением. При таком подходе изучается микроструктура поверхности или тонкого приповерхностного слоя, т.к. использование гармонического излучения не позволяет разделять по времени эхо-сигналы от внутренних деталей объекта. Количолзенные методы классической акустической микроскопии (т.н. У(г)-методы) основываются на измерении скорости поверхностной рэлеевской волны.

Для развития методов измерения объёмных локальных свойств материалов и изучения их внутренней структуры было предложено перейти от гармонического сигнала к коротким высокочастотным импульсам. При

взаимодействии такого излучения с границами образца и внутреними неоцнородностями среды возникает эхо-сигнал в виде серии импульсов, различающихся по времени задержки. Измерение временных интервалов между импульсами, отражёнными от передней и задней поверхности даёт возможность определить скорости объёмных акустических волн в материале. Применение фокусированного излучения обеспечивает локальность измерений и возможность одновременного измерения скорости продольных и поперечных воин. Высокая рабочая частота определяет высокое латеральное разрешение. Малая длительность зондирующего импульса обеспечивает высокое разрешение по глубине. Применение малоапертурных акустических объективов определяет достаточную длину фокальной перетяжки и эффективное проникновение фокусированного ультразвука в объём образца. Такие акустические системы реализуются и успешно применяются на практике. Однако в рамках пр г,¡итоженного подхода остаются неизученными механизмы формирования структуры регистрируемого эхосигнала: чем обусловлено наличие или отсутствие отдельных эхо-импульсов; чем определяются временные интервалы между импульсами - преломляясь внутри образца разные угловые компоненты пучка проходят различные пути и время задержки для них различное; какова форма отдельных эхо-импульсов и какая существует взаимосвязь между структурой эхо-сигнала и свойствами наблюдаемого объекта.

В этой связи, решение задачи о характере взаимодействия коротких имлульсов фокусированного ультразвука с границами раздела и плэскопараллельными объектами, развитие представлений о принципах формирования выходного сигнала фокусирующей системы оказывается важной и актуальной проблемой. Особое значение такое исследование имеет при измерении упругих свойств анизотропных сред, ввиду сложного характера распространения фокусированного излучения в них. Именно эти вопросы ан;ишзируются в данной работе. Результаты анализа являются теоретическим фундаментом для методов измерения локальных объёмных упругих свойств. В ра(юте эти методы используются для изучения свойств и микроструктуры пиролитического наноуглерода - одного из видов современных углеродных материалов.

Углеродные материалы в настоящее время вызывают особый интерес. Углерод обладает полиморфизмом, связанным с возможностью реализации различных типов ковалентной связи, и широким спектром механических свойств, тесно связанным с его молекулярной организацией. Пиролитичеекий наноуглерод состоит из графитоподобных частиц субмикронного размера. Графитовые частицы по своей природе являются высоко анизотропными, но считается, что благодаря их малым размерам и взаимной разориентации, материал в целом обладает изотропией свойств. Интерес к нему обусловлен уникальным сочетанием механических свойств, кроме того, материал обладает химической инертностью и технологичностью, что делает его привлекательным для применения в медицинском протезировании, в т.ч. в качестве материала для искусственных клапанов сердца. Свойства наноуглерода тесно связаны с режимом его приготовления и сильно варьируются по объёму. Традиционная диагностика качества пиролитического наноуглерода проводится оптическими поляризационными методами, слабо связанными с механическими свойствами. В работе развиваются микроакустические методы, которые позволяют измерять локальные упругие характеристики и оценивать упругую анизотропию, визуализировать внутреннюю структуру и микродефекты. Решению этих актуальных задач посвящена значительная часть диссертационной работы.

Основные цели работы

1. Развитие представлений о взаимодействии импульсов фокусированного ультразвука с границами раздела и плоскопараллелышми твердотельными объектами.

2. Разработка теоретических и экспериментальных основ ультразвуковых измерительных методов высокого разрешения на основе использовачия импульсов фокусированного ультразвука.

3. Создание эффективных методов диагностики, оценки и неразрушаюшего контроля пиролитического наноуглерода, основанных на принципах импульсной акустической микроскопии и микроакустической техники.

Основные задачи работы

1. Теоретический анализ особенностей взаимодействия коротких импульсов фокусированного ультразвука с границами раздела, изотропными и анизотропными пластинами;

2. Изучение принципов формирования выходного эхо-сигнала импульсной фокусирующей системы в отражательном режиме для изотропной пластины и при наличии анизотропии в материале.

3. Экспериментальное наблюдение и анализ формирования выходного сигнала при изучении объёмных упругих свойств и микроструктуры пиролитического наноуглерода;

4. Измерение упругих модулей и харакгеризация микроструктурных особенностей оптически изотропного пиролитического наноуглерода.

Научная новизна

1. Впервые разработаны теоретические и экспериментальные основы применения коротких импульсов фокусированного ультразвука для измерения локальных объёмных упругих свойств материалов.

2. Впервые для изотроной пластины выполнен анализ формирования выходного сигнала импульсной фокусирующей системы в зависимости от её положения относительно пластины.

3. Показана возможность применения малоапертурных зондирующих ультразвуковых пучков для изучения анизотропии материалов.

4. Выполнен анализ формирования эхо-сигнала в случае трансверсальной изотропии материала; выявлены особенности в структуре сигнала для разных ориентаций образца, обусловленные различным вкладом двух ветвей поперечных волн.

5. Впервые измерен полный набор упругих модулей оптически изотропного пиролитического наноуглерода, выполнена оценка его локальной упругой анизотропии и изучены особенности его внутренней микроструктуры. Разработаны эффективные улыразвуковые методы для диагностики этого материала.

6. Выполнен анализ взаимосвязи упругих свойств и молекулярной структуры углеродных материалов. Предложены простые механические модели для оценки микро- и наноструктуры материалов по результатам измерения их упругих свойств.

Практическая ценность

Результаты работы показывают, что применение высокочастотных фокусированных ультразвуковых пучков с малой угловой апертурой является высокоэффективным методом для характеризации и неразрушающего контроля локальных объёмных упругих свойств современных материалов и изделий из них. Результаты, полученные в данной работе, по изучению формирования выходного эхо-сигнала создают основу для применения микроакустических методов высокого разрешения как для лабораторных исследований, так и в производственных условиях. К наиболее значимым для практики результатам работы относятся: методы характеризации локальных объёмных упругих свойств и анизотропии современных материалов, разработка теоретических основ этих методов, методика эффективной ультразвуковой диагностики углеродных материалов, в частности диагностика качества пиролитического наноуглерода и изделий из него.

Основные положенный, выносимые на защиту

1. При взаимодействия короткого импульса фокусированного ультразвука малой апертуры с плоскопараллельным объектом регистрируемый эхо-сигнал содержит импульсы, обусловленные распространением продольных (£), поперечных (7) волн в твердом теле, а также импульс (¿7) комбинированного распространения упругих волн. Возникающие эхо-импульсы могут быть использованы для измерения локальных значений скоростей объёмных упругих мод и упругих модулей с оцениваемой степенью точности.

2. Структура эхо-сигнала и форма отдельных импульсов зависит от положения фокальной плоскости акустической линзы относительно объекта; вне зависимости от упругих свойств объеста, отражённые импульсы могут принимать конечное число форм, связанных с формой зондирующего

импульса. Конкретные значения упругих параметров сказываются только на величине парциальных сигналов.

3. Для изотропного материала эхо-импульсы принимают три возможные формы; в анизотропной среде количество и возможные формы эхо-импульсов определяются упругой симметрией и формой поверхностей медленности.

4. 13 формировании отдельных импульсов в структуре эхо-сигнала участвуют "олько те компоненты пространственного спектра пучка, для которых выполняется условие симметрии геометрии входа и выхода лучей из пластины. Количество компонент углового спектра, удовлетворяющих этому условию, определяет форму эхо-импульсов.

5. Для анизотропного образца положение акустической линзы, при котором происходит переход от одной формы отдельного импульса к другой, определяется групповыми скоростями упругих мод, тогда как временные интервалы между импульсами определяются значениями фазовых скоростей.

6. 13 случае анизотропной пластины структура эхо-сигнала определяется не только положением акустической линзы относительно пластины, но и ориентацией среза образца. Для трансверсально изотропного образца существует принципиальное различие в структуре эхо-сигнала при ориентации зондирующего пучка вдоль и поперек оси симметрии Сю, которое связано с числом поперечных мод, возбуждаемых падающим пучком.

7. Микроакустические методы, в основе которых лежит взаимодействие коротких импульсов высокочастотного ультразвука и применение длиннофокусных акустических объективов, могут использоваться для выявления и оценки упругой анизотропии материалов.

8. Пиролитический наноуглерод, характеризуемый оптическими методами как изотропный, в большинстве случаев обладает упругой анизотропией свойств.

Личный вклад соискателя

Все результаты представленные в работе получены соискателем лично,

либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы и публикации

По материалам диссертации имеется 18 публикаций, основные из которых приведены в конце настоящего автореферата, в том числе 1 статья в отечественном журнале «Кристаллография», 5 статей в «Acoustic Imaging», 1 статья в журнале «Annais of Transplantation», 1 - электронная публикация по материалам ведущей американской материаловедческой конференции «Fall k'RS Meeting 2002». Результаты диссертации представлялись на 7 международных конференциях: «Ultrasonics International'01», г.Дельфт, Голландия, 2001; «Fall > MRS Meeting 2002», г.Бостон, США, 2002; «27<h International Acoustical Imaging Symposium», г.Саарбрюкен, Германия, 2003; «E-MRS 2003 Fall Meeting», г.Варшава, Польша, 2003; второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва/МИСиС, 2003; международной конференции «Destroying and monitoring of metal properties», г.Екатеринбург, 2003; «51" Open Seminar on Acoustics joint with Polish-German Structured Conference on Acoustics», г.Гданьск, Польша, 2004.

Структура и объём диссертации

Диссертатцинонная работа состоит из введения, 5-ти глав, заключении и списка литературы. Общий объём работы 137 страниц, включающих в себя 33 рисунка, 5 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 134 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приводятся основные цели работы, кратко излагается основное содержание.

Первая глава содержит обзор современной литературы, в котором описываются основные принципы и области применения фокусированных ультразвуковых пучков для изучения структуры и свойств материалов. Описывается конструкция ультразвуковых фокусирующих систем, обсуждаются основные характеристики сходящихся ультразвуковых пучков, их пространственная и временная структура; анализируется взаимосвязь этих

параметров с пространственным разрешением используемых фокусирующих систем. В п. 1.3. приводится обзор основных количественных и качественных микроакустических методов, описываются основные микроакустические режимы - С- и В-сканирование, послойная ЗБ визуализация. Особое внимание уделяется методам, применяемым для изучения анизотропии материалов (п.1.4.), в т.ч. методу, на основе импульсного линейно фокусированного излучения. В заключение, обсуждаются работы, посвященные изучению микроакустическими методами локальных упругих свойств углеродных материалов.

Вторая глава посвящена современным углеродным материалам и их механическим свойствам. Обсуждаются атомная структура и механические свойства аллотропных форм углерода, нано- и микроструктурированные углеродные состояния. Особое внимание уделяется низкотемпературному пиролитическому углероду, т.к. именно этот материал служит в работе объектом для экспериментальных микроакустических исследований. Обсуждаются структурные особенности пиролитического наноуглерода и их взаимосвязь с его механическими характеристиками. Обсуждается проблема формирования изотропной структуры пироуглерод! из субмикронных и наночастиц графита и трансформации графита, являющегося сильно анизотропным и хрупким материалом, в высоко упругий и достаточно пластичный пироуглерод. Приводится обзор существующих методов характеризации структуры пиролитического наноуглерода; анализируются достоинства и недостатки оптического метода, который является основным диагностическим инструментом для характеризации анизотропии этого материала.

Отдельно обсуждается (п. 2.4) взаимосвязь между упругими свойствами и молекулярной структурой углеродных состояний. С помощью простых механических моделей показывается, что эта корреляция настолько тесная, что может эффективно использоваться в качестве основы для ультразвуковых методов характеризации нано- и молекулярной структуры углеродных материалов.

В третьей главе диссертации подробно излагаются теоретические основы описания механизма взаимодействия фокусированного ультразвука с изотропными границами и плоскопараллельными объектами. Приводится сбшее выражение дня выходного сигнала У(г), регистрируемого фокусирующей ультразвуковой системой после взаимодействия короткого фокусированчого импульса с изотропной пластинкой В линейной системе взаимодействие ультразвукового сигнала произвольной формы с объектом может быть сведено к взаимодействию с ним гармонических компонент сшнала С этой целью выходной сигнал рассматривается в виде набора гармонических компонент У0(г) с частотами со:

Уа(г)=Вт-еЫЙ ¡ш0М^(0) я(в)-е2,ЬсО5в, (1)

о

где в - угол падения упругой волны из жидкости, лежит внутри угловой апертуры фокусирующего излучателя, Р(в) - апертурная функция излучателя, которая включает в себя эффективность излучения и приёма, и её распределение по поверхности излучателя, Вш - спектр излучаемого импульса, к - волювой вектор гармонической компоненты падающего излучения, Я - фокальное расстояние фокусирующего излучателя, г - смещение фокальной плоскости пучка относительно передней поверхности пластины, 11(0) - коэффициент отражения от пластины, который рассматривается как совокупность последовательных отражений на границах пластины:

= К, (0) + г,(<?)•е'2"<^ + гЬТ (б>)еы<+ гт (в)е'м , (2)

Здесь - угол преломления продольных и поперечных волн в пластине толщиной <1, - волновые вектора распространяющихся в пластине волн. Парциальный коэффициент отражения 1^(0) соответствует отражению от передней поверхности пластины, коэффициент г^в) соответствует однократному переотражению продольных волн в пластине, гт(<9) соответствует однократному переотражению поперечных волн, г1Т( в) обусловлен

трансформацией акустических мод при отражении на задней поверхности пластины. Выражение для регистрируемого сигнала получаем Фурье-преобразованием гармонических компонент VJiz):

V{z,t)=\vSz)-e-"ad&. (3)

Для того, чтобы оценить интеграл в (1) используются асимптотические методы,

т.к. экспоненциальные множители в (1) с учётом (3), содержат большие

параметры kz и Ы» 1, и функция под интегралом оказывается быстро

осцилирующей. В связи с этим величина интеграла в (1) определяется наличием

стационарных точек в фазе гармонической компоненты VJz) выходного сигнала.

Методом стационарной фазы в п.3.2-5 изучается динамика возникновения

отдельных импульсов в структуре выходного сигнала и зависимость их формы

от положения фокальной плоскости акустической линзы относительно

поверхности образца. В п.3.2. показывается, что что 5-импульс, возникающий

благодаря отражению зондирующего пучка от прередней поверхности пластины,

формируется при любом положении акустической линзы. Максимальная

величина Д-сигнала возникает в фокальном положении, когда все отраженные от

передней поверхности лучи приходят в фазе на излучатель; форма 5-импульса

при этом совпадает с формой зондирующего сигнала V0{t). При смещении линзы

к пластине вклады параксиальных и краевых компонент пучка разделяются -s

происходит расщепление импульса на два сигнала, при этом импульсы имеют "интегральную" форму:

С

во

где jX, ' e'^da _ соответствует форме зондирующего импульса (рис. 1а),

-во

/

G(i)= ¡VQVW - Интегральная" форма от зондирующего импульса, (рис Л б),

-во

с - скорость звука в иммерсионной жидкости.

м »» чШ IT . л

** 1 1

! Jut

а ' . t«l Uli U" fM 1Л| .. .У 4

vik. .-><- . -

• 1 J^/f kill:

v" -

i i 1

в

Рис.1 Формы импульса, характерные для отражеь ных от изотропной пластины парциальных «о-сигналов- а) - форма зондирующего импульса Vo(0> б) - "инте!ральная" форма G(t), в) -"особая" форма Gi(t).

В п.3.3. показывается, что импульс, обусловленный распространением продольных упругих волн в образце ([,-сигнал) наблюдается при любом положении объекта внутри фокальной перетяжки зондирующего пучка. В достаточно широком интервале положений объекта форма ¿-сигнала оказывается "интегральной", а его амплитуда растёт по мере приближения параксиального фокуса зондирующего пучка к задней поверхности пластинки. Когда параксиальный фокус оказывается на задней поверхности достигается максиальная величина /.-сигнала и происходит переход к "особой" форме импульса. Особая форма /.-импульса возникает с появлением стационарных точек в фазе этого сигнала:

с, cos в z —--ь —= 0

(5)

с сов^ <1

С! - скорость продольного звука в объекте. Выражение для ¿-импульса в этой области записывается в виде:

vHr aJEZK^JM си t т\

(6)

где G,(t) = ei \^=-e*«da>

1Га>

представляет собой третью, наряду с уже

введенными К0(0 и (7(г), возможную форм} (рис.1 в). Особая форма сохраняется и при дальнейшем движении линзы по направлению к объекту, до тех пор пока наклонные лучи по очереди образуют точку схода на задней поверхности. Затем,

амплитуда ¿-сигнала с увеличением смещения г, начинает спадать. Время задержки для ¿-сигнала может быть определено как двойное время пробега продольных волн по толщине пластины, поскольку из-за малости угловой апертуры 20т зондирующего пучка

с,2

2

sin2 6>т < 1, (7)

l-cos{? _ . „„,

возникающая при этом ошибка-— оказывается не более 1-3%.

cos 0т

В п.3.4. и 3.5. обсуждаются особенности формирования ¿Г и Г импульсов, образуемых с участием поперечных волн. Формирование этих сигналов начинается при значительном смещении фокуса вглубь объекта,

, с, Т ,С, COS&

-— (8)

с с- cosffT

.i.\£L+±)>z'-r>_L

2 { с с) 2

С, COS0 СТ COS0 ^

—-+ —----(9)

с cos0L с cos9Т )

т.к. вклад в формирование этих сигналов даюг только наклонные компоненты

пространственного спектра пучка, образующие точку схода на задней

поверхности. В п.3.4-5. обсуждаются геометрические условия формирования и

наблюдения этих эхо-сигналов; показывается, что для них характерна "особая"

форма импульса (?1(<) и, что время задержки ЬТ и Т импульсов, при малых

апертурах зондирующего пучка, определяемых в (7), является двойным

временем пробега фазы по толщине пластины с достаточно высокой точностью:

2 d d d *т=— и т1т = — + —. (Ю)

ст са ст

Четвертая глава посвящена экспериментальному изучению особенностей взаимодействия фокусированного ультразвукового импульсного излучения с изотропными и анизотропными пластинами и формирования эхо-сигналов в результате такого взаимодействия. Микроакустическая техника измерения локальных упругих характеристик применяется для изучения свойств и микроструктуры пиролитического наноуглерода.

В п.4.1. приводится описание установки и исследуемых образцов. Первоначально, эксперимент выполнялся на значительном количестве однородных образцов для двух ориентаций каждого образца - вдоль направления роста материала и поперек его. Образцы были охарактеризованы методами оптической поляризационной микроскопии как изотропные. Полученные В-сканы и эхограммы свидетельствуют, что пиролитический наиоуглерод, характеризуемый как оптически изотропный, по своим упругим свойствам делится на три типа - изотропный, трансверсально изотропный (класс симметрии С«,) и материал с более сложным типом упругой анизотропии. Для образцов изотропной модификации дл» обеих ориентаций образцов наблюдаются стандартного вида эхораммы с Ь, 1,Т и Т импульсами и стандартные В-сканы. В случае трансверсальной изотропии пироуглерода для ориентации образцов поперек направлению роста материала наблюдалось расщепление импульсов поперечных мод (рис.2) - различие во времени задержки для двух типов поперечных мод оказывается достаточным, чтобы экспериментально наблюдать и оценивать анизотропию. Для пироуглерода с третьим типом упругой структуры расщепление мод поперечных волн наблюдалось для обеих используемых ориентаций образцов.

Для пиролитического наноуглерода впервые были измерены скорости продольных и поперечных упругих волн вдоль и поперек направления роста Результаты измерений приведены в таблице 1,2. Для изотропной модификации пироуглерода этих данных оказывается достаточно для вычисления полного набора упругих модулей. Для трансверсально изотропной модификации выполнено дополнительное измерение вдоль направления под углом 45° к направлению оси С„. Полученные в результате измерений данные позволили полностью определить матрицу упругих модулей, построить поверхности медленностей и оценить степень анизотропии для этой модификации пироуглерода. В ходе измерения 45°среза были получены значения скоростей, не использованные при вычислении упругих модулей. Эти данные служили для оценки корректности интерпретации характера упругой симметрии образцов пироуглерода.

р1С 2 Эхограмма импульсов, отражённых от пластинки трансверсально изотропного пиролитического наноуглерода. а) вдоль оси изотропии С» и б) поперек оси изотропии. В -си! чал, отражённый от передней поверхности, Ь - эхо-сигнал от дна, обусловленный растространением в пластинке продольных волн, Т - эхосигнал, сформированный поперечными волнами, ЬТ - эхосигнал комбинированного распространения продольных и поперечных волн. Индексы 1 и 2 соогветствуют квазипоперечным и чисто сдвиговым волнам.

Таблица 1. Значения упругих характеристик изотропного пиролитического наноугперода, измеренные микроакустическими методами. Погрешность измерений для значения скорости продольных волн составляет не более 5%.

Свойство Ориентация Значение

Скорость продольных ВОЛН Си км/с Z X 3,95 3,90

Скорость быстрых поперечных волн, ст/км/с Z X 2,22 2,20

Объёмный модуль К, ГПа - 18.1

Модуль сдвига в, ГПа - 9.3

Модуль Юнга Е, ГПа - 23.8

Коэффициент Пуассона ц - 0.24

Таблица 2. Значения упругих характеристик трансверсально изотропного пиролитического наноуглерода, измеренные микроакустическими методами. Погрешность измерений для значения скорости продольных волн составляет не более 5%.

Свойство Ориентация Значение

Скорость продольных ВОЛН С1, км/с Z X 3,95 3,60

Скорость быстрых поперечных волн, с-п км/с Z X 2,22 2,22

Скорость медленных поперечных волн, с-п км/с Z X 2,00

Модуль Юнга Е, ГПа zz XX. YY 25.4 20.4

Модуль сдвига в, ГПа XY XZ. YZ 7.8 9.0

Коэффициент Пуассона ц XY, YX XZ, YZ ZX.ZY 0.29 0.21 0.25

ат в

В п.4 4. приводятся результаты экспериментального изучения объёмной микроструктуры лиролитического наноуглерода Полученные В-сканы (рнс.З), отображающие структуру материала в поперечном сечении, свидетельствуют о наличии слоист эй мезоструктуры в пиро-углеродных обрацах трансверсально изотропной модификации. Вероятно, для этого материала является характерной текстура, которая оказывается источником анизотропии упругих свойств

В пятой главе исследуется взаимодействие фокусированного ультразвукового импульса с телами ортотропной симметрии, и анализируются принципы формирования ультразвукового эхо-сигнала в результате такого взаимодействия. В п.5.1. показывается зависимость парциальных коэффициентов отражения от направления распространения компоненты падающего пучка на пластину для двух ориентаций - вдоль оси изотропии С„ и поперек неё (ъ и х-ориентация). Система граничных условий, записанная для этих двух ориентаций, показывает, что при падении фокусированного пучка вдоль оси изотропии упругие волны чисто сдвиговой поляризации в образце не возбуждаются; при падении фокусированного излучения поперек оси изотропии возбуждается два типа поперечных волн - квазипопереч-ные и чисто сдвиговые, причем разными компонентами углового спектра пучка. Парциальные коэффициенты отражения были рассчитаны численно для трансверсально изотропного пироуглерода по измеренным в гл.4 значениям упругих модулей и используются затем для анализа формирования эхо-сигнала, регистрируемого фокусирующей системой.

Рис.3 Изучение микроструктуры и упругих свойств лиролитического наноуглерода методом й-сканирования: микрослоистая структура видна во объёме образца в виде прерывистых линий (5) между сигналом от передней (В) и задней (X) поверхности.

В п.5.2,-5.4. методом стационарной фазы выполнен анализ формирования разных эхо-импульсов, входящих в состав регистрируемого эхо-сигнала

йкАк.

*<1а>

(И)

и обусловленных распространением разных типов упругих волн в обрг.эце. Показано, что все особенности, возникающие для анизотропного образца, могут быть получены из рассмотрения системы уравнений для стационарных точек:

ЗФ _ ( дкг дк'Л /

дк, ; дк, . л

И- аз)

дку дку дку где Щх,ку)=Ъ1-к!;(к.х,ку)+2г\(кх,ку) - фаза отраженного парциального сигнала,

волновой вектор плоской компоненты зондирующего пучка,

к* д у К - волновой вектор упругих (продольных) волн в пластине.

Из (12)-(13) получаем, что при наличии анизотропии условия возникновения точек схода лучей на задней поверхности пластины и, соответственно, условия формирования отдельных импульсов, определяются групповыми скоростями Ур', и распространяющихся в пластине упругих волн:

С помощью (12)-(13) определяются те компоненты зондирующего пучса, которые дают вклад в формирование выходного сигнала. Для этого в (12)-(13) вводится параметры анизотропии а, которые выражаются через упругие модз'ли среды и определяются из дисперсионного уравнения отдельно для разного типа

упругих волн. Показано, что в случае трансверсальной изотропии в формировании выходного сигнала участвуют компоненты падающего пучка, волновые вектора которых определяются следующим образом:

1) к0у. = 0, к0х, = 0 - параксиальные лучи, падающие вдоль г,

2) к1х, = 0, л,у = ± — • л-2—Л--- лучи, падающие в плоскости/г';

су 2 — а

« \\сг! с\)\гг! а1)-

3) к2х. = ±—• -—г——2-, к2у. = 0 - лучи, падающие в плоскости x'z'.

Именно для этих волновых векторов выполнется симметрия входа и выхода лучей из пластины. В формирование ¿-импульса дают вклад все три точки схода лучей на задней поверхности пластины, для Т и LT эхо-сигналов - только две, соответствующие наклонным лучам. Причем в последнем случае, в формировании импульсов квазипоперечных волн участвуют компоненты, падающие в плоскости уУ, а в формировании импульсов чисто сдвиговых поперечных мод - компоненты, падающие в плоскости x'z'.

В п.5.2. приводится выражение для ¿-сигнала, показана динамика возникновения трех указанных выше стационарных точек в зависимости от положения акустической линзы z. Показано, что форма L эхо-импульса при этом оказывается интегральной (7(f), и только при двух положениях акустической

cL ^

линзы zt=-d— и ^ возникает слияние-переход точек схода

параксиальных и наклонных лучей Вблизи этих положений линзы форма и величина ¿-сигнала меняется:

уЧг /) =_к-*"1-4(0,0)_

с

,\1/4/ ^/2/. / \V4 2

1

cj

4 с

V

у J J

(16)

где Сг(0 = I, • е~""(1а _новая форма импульса, возникающая в этом случае. ЛХЩ

В п.5.3-4 описываются особенности формирования LT и Г импульсов, для двух типов поперечных волн. Подробно анализируются положенния линзы, при которых эти импульсы формируются. Показывается, что для этих эхо-сигналов особая форма импульса не наблюдается. Приводятся выражения для времени задержки, которые позволяют оценить точность измерения значений скоростей поперечных волн.

Основные результаты Основные результаты, полученные в работе, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Экспериментально и теоретически показано, что при взаимодействии короткого импульса фокусированного ультразвука с плоскопараллельным объектом сигнал, регистрируемый фокусирующей системой, состоит из разделенных во времени эхо-импульсов, обусловленных отражением от передней и задней поверхности образца и распространением в образце различных типов упругих волн. Временные интервалы между отдельными импульсами определяются временем распространения через образец фазы упругих волн, и могут быть использованы для измерения локальных значений объёмных упругих характеристик с оцениваемой степенью точности.

2. Методом стационарной фазы исследовано поведение выходного сигнала V(z,t), регистрируемого в результате взаимодействия короткого фокусированного ультразвукового импульса малой угловой апертуры с плоскопараллельным объектом. Анализ показывает, что формирование отдельных эхо-импульсов связано с наличием точек стационарности у фазы этих сигналов, что означает формирование точек схода распространяющихся в образце лучей на его задней поверхности. Количество лучей, участвующих в формировании точки схода, определяет величину и форму импульса, т.е. тип возникающей стационарной точки.

3. Показано, что в случае изотропного материала существует только три типа формы импульса - совпадающая с формой зондирующего импульса Vo(t), интегральная G(t) и особая G\(t). В зависимости от положения акустической линзы относительно объекта эти формы переходят одна в другую. В случае

г «изотропного материала количество парциальных эхо-сигналов и их формы определяются также симметрией упругих свойств изучаемой среды.

4. Получено теоретическое обоснование использования длиннофокусных ультразвуковых пучков для измерения локальных значений фазовых скоростей упругих волн в плоскопараллельных образцах. Даются неравенства, определяющие возможные величины угловых апертур зондирующего пучка, для которых можно измерять скорости звука в материале пластины. Показано, что для большинства изучаемых материалов, со средними скоростями продольного и поперечного звука 4-6 км/с, ст~2-3 км/с), угловая апертура 2 вт зондирующего пучка должна иметь значения 20-30°.

5. Показано, что сигнал отраженный от передней поверхности пластины -Л-импульс, формируется при любом положении акустической линзы. Максимальная величина 5-сигнала возникает при фокусировании падающих из жидкости лучей на передней поверхности; форма импульса при этом совпадает с формой зондирующего сигнала. Смещение линзы из фокального изложения приводит к тому, что вклады параксиальных и краевых компонент пучка разделяются - происходит расщепление импульса на два сигнала с переходом к интегральной форме 0(1) для них.

6. Показано, что при отражении компонент пучка от задней поверхности тяастины формируются ¿-, ЬТ- и Г-импульсы, обусловленные однократным тереотражением продольных (¿) и поперечных (7) волн в образце. Максимальная величина ¿-сигнала достигается, когда параксиальные компоненты падающего пучка образуют фокус продольных волн на задней поверхности. В этом положении линзы происходит переход от интегральной С'(0 формы импульса к особой О^г)- ЬТ и Г эхо-импульсы образуются внутри ограниченного интервала смещений линзы по направлению к образцу. Форма ¿7и ¿импульсов, как правило, является особой С\(1).

7. Дня анизотропных сред увеличивается число парциальных эхо-импульсов за счет расщепления двух ветвей поперечных мод и распространения через образец двух типов поперечных волн.

8. Показано, чго для анизотропного образца условия возникновения стационарных точек в фазе отраженных эхо-сйгналов, т.е. условия

наблюдения отдельных импульсов, определяются групповыми скороспми, тогда как временные интервалы между импульсами задаются фазовыми скоростями соответствующих упругих мод.

9. Для двух ориентаций трансверсально изотропного пироуглерода, взятого в качестве простейшего анизотропного материала изучена динамика изменения структуры выходного сигнала в зависимости от положения акустической линзы относительно образца.

На примере различия в формирования Ь сигнала для указанных ориентаций образца показывается принципиальное значение топологии поверхности медленности. Для высокосимметричной ориентации вдоль оси С«, формирование максимума сигнала связано со стационарными точками, обусловленными пересечением каустики с задней поверхностью образца. Для низкосимметричной ориентации поперек оси С«, стационарные точки, определяющие формирование /.-сигнала, обусловлены точками схода отдельных лучей.

На примере формирования эхо-импульсов с участием поперечных волн для двух ориентации образца показывается, что при ориентации образца вдоль С„ на эхограмме существует единственный набор ЬТ и Т импульсов. Показано, что при поперечной ориентации образца разные компоненты углового спектра пучка возбуждают в образце две поперечные волны и обеспечивают эффективное расщепление ЬТ и Г сигналов.

10.Разработана микроакустическая техника для диагностики упругих свойсгв и объемной микроструктуры слабо анизотропных сред. Она эффективно использована для определения упругих свойств пиролитичегкого наноуглерода. Предложена классификация оптически изотропчого пиролитического наноуглерода по его упругим свойствам. Для двух модификаций впервые измерены скорости продольного и поперечного звука и определены полные наборы упругих постоянных. Методами В- и С-сканирования было показано наличие объёмной текстуры, которая может быть источником упругой анизотропии.

11.Предложены простые механические модели позволяющие установить взаимосвязь между молекулярной структурой и упругими свойствами углеродных материалов, оценивать их микро- и наноструктуру.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V.M. Levin, Yu.S. Petronvuk. I.V.Ponomareva. Modeling mechanical properties of carbon molecular clusters and carbon nanostructural materials; Mat. Res. Soc Symp. Proc. Vol. 740 © 2003 Materials Research Society

2. Yu.S. Petronvuk. V.M. Levin, V.N. Zygan, Microacoustical NDE of pyrocarbon materials for cardiovascular prosthetic application, Annals of transplantation, v.9, №la, Warsaw, 2004, pp. 113-115.

3 V.M. Levin, Yu.S. Petronvuk. I. V. Ponevazh, Interaction of short pulses of focused ultrasound with interfaces and planeparallel objects, in Acoustical Imaging, v.21, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, pp.69-76.

4. Liu Songping, Guo Enming, Levin V.M., Petronvuk Yu.S. Measuring sound velocities and anisotropy of micros tructural units of laminate composite materials by microacoustical technique, in Acoustical Imaging, v.27, Edited by W, Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, pp.137-141.

5 Liu Songping, Guo Enming, Levin V.M, Petronvuk Yu.S. Imaging of carbon-fiber-reinforced (CFR) laminates microslructure by acoustic microscopy techniques, in Acoustical Imaging, v.27, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, pp. 142-149.

6. V.M. Levin, Y.S. Petronvuk, Lirnin Wang, Jiankai Hu, and Qianlin Zhang, Application of microacoustical technique to study elastic properties and microstructure of new generation of bulk metallic glasses, in Acoustical Imaging, у 21, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publishers, Dordrecht & New York, 2004, pp. 229-236.

7 Y.S. Petronvuk. O.V. Priadilova, N.M. Levin, and A.A. Popov, Investigation of structure and properties of immisible polymer blend by acousticmicroscopy techniques, in Acoustical Imaging, v.27, Edited by W. Arnold and S. Hirsekorn, Kluwer Academic/Plenum Publisher, Dordrecht & New York, 2004, pp. 193-198.

8. Ю.С. Петронюк. B.M. Левин, Наблюдение анизотропии в оптически изотропном пиролитическом наноуглероде микроакустическими методами.// Кристаллография, 2005, т.50, №3, с. 544-549.

9 Ю.С.Петронюк Исследование наноструктуры изотропного пироуглерода Вторая ежегодная молодежная конференция ИБХФ РАН-ВУЗы «Биохимическая физика», 2002, г. Москва.

10. V.M. Levin, Yu.S. Petronjuk, V.N. Zigan, G.V. Blessing, N.N. Hsu, D. Xiang, Elastic anisotropy of carbon materials studied by point-focus and line-focus acoustic microscopy techniques, Abstract book, Ultrasonics International - 01, Delft, Netherlands, 2001.

11. V.M. Levin, Yu.S. Petronyuk. I.V. Ponevazh Principles of microacoustical technique - interaction of short pulses of focused ultrasound with interfaces and plane-parallel objects, Abstracts, 27,h International Acoustical Imaging Symposium, Saarbrucken, Germany, 2003.

12 S.Liu, En. Guo, V.M. Levin, Yu.S. Petronyuk Measuring sound velocities and anisotropy of microstructural units of laminate composite materials by microacoustical technique, Abstracts, 27h International Acoustical Imaging Symposium, Saarbrucken, Germany, 2003.

13 S. Liu, E. Guo, M.V. Levin, Yu.S. Petronyuk Imaging of carbon-fiber-reinforced (CFR) laminates microstructure by acoustic microscopy techniques, Abstracts, 2/h International Acoustical Imaging Symposium, Saarbrucken, Germany, 2003.

14 Yu.S .Petronyuk. V.M.Levin, N.V. Zygan Microacoustical NDE of pyrocarbon materials for cardiovascular prosthetic application Book of abstracts "E-MRS 2003 Fall Meeting", Warsaw University of Technology, Warsaw, 2003.

15 K.B. Закутайлов, B.M. Левин, Ю.С. Петрснюк Микроакустика и акустическая микро-скопия - уникальные методы исследования локальных механических свойств материалов Тезисы докладов второй международной конференции по физике кристаллов'«Кристаллофизика 21~го века», Москва/МИСиС, 2003.

16. Ю.С. Петронюк, В.М. Левин, К.В. Закутайлов, Н.В.Зыган Микроакустическая диагностика пиролитического наноуглерода Тезисы докладов второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва/МИСиС, 2003.

17 V.M. Levin, Yu.S. Petronyuk Acoustic microscopy and microacoustical technique - application of high frequency focused ultrasound for studing bulk microstructure and measuring local elastic properties of solids. Abstract book of International conference «Destroying and monitoring of metal properties», Ekaterinburg, May 2003, p. 90.

18. V.M. Levin, Yu.S. Petronyuk. I.V. Ponevazh Principles of microacoustical technique - interaction of short pulses of focused ultrasound with interfaces and plane-parallel objects. In '51st Open Seminar on Acoustics' joint with 'Polish-German Structured Conference on Acoustics' and '9th Acoustooptics and Applications', September 2004, Gdansk, Poland

i t

í

I

r

V

-f

»19 185

РНБ Русский фонд

2006-4 17156

Подписано в печать 22 февраля 2005 г. Формат 60x84/16. Заказ N8 9. Тираж 130 экз. П. л. 1,0.

Отпечатано в РИИС Ф /1АН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 132 51 28

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ФОКУСИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Фокусирующие излучатели

1.2. Геометрическая и временная структура фокусированного пучка

1.3. Методы и режимы применения сходящихся ультразвуковых пучков для 15 изучения структуры и свойств материалов

1.3.1. Режимы акустической визуализации

1.3.2. Количественные микроакустические методы

1.4. Микроакустические методы для изучения упругой анизотропии

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЙ УГЛЕРОД. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

УГЛЕРОДА

2.1. Аллотропные формы углерода. Нано- и микроструктурированный углерод

2.2. Пиролитический углерод. Структура и методы её характеризации

2.3. Упругие свойства различных форм углерода и их взаимосвязь с его 32 структурной организацией

2.4. Моделирование и оценка упругих свойств современных углеродных 36 материалов

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАКОРОТКОГО ЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСА С ИЗОТРОПНОЙ 1 ПЛАСТИНКОЙ

3.1. Общее выражение для выходного сигнала У(х) при взаимодействии 44 ультракороткого фокусированного импульса с изотропной пластинкой

3.2. Формирование эхо-импульса (В), отраженного от передней поверхности 53 пластины

3.3. Формирование эхо-импульса, обусловленного однократным 57 распространением продольных волн в пластине (¿-сигнал)

3.4. Формирование эхо-импульса, обусловленного однократным 65 переотражением поперечных волн в пластине (Г-сигнал)

3.5. Особенности формирования ¿Г-сигнала, образованного в результате 69 конверсии акустических мод на границах раздела

3.6. Микроакустическая техника измерения объёмных упругих свойств 75 в изотропных твёрдых телах

ГЛАВА 4. НАБЛЮДЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФОКУСИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСА С АНИЗОТРОПНОЙ СРЕДОЙ. ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ

СВОЙСТВ ОПТИЧЕСКИ ИЗОТРОПНОГО ПИРОЛИТИЧЕСКОГО НАНОУГЛЕРОДА

4.1. Описание экспериментальной установки и образцов

4.2. Измерение упругих свойств оптически изотропного пироуглерода. 83 Разделение импульсов, связанных с распространением поперечных волн в пластине низкотемпературного пироуглерода

4.3. Расчет коэффициентов упругости и упругих модулей

4.4. Изучение объёмной микроструктуры оптически изотропного пироуглерода 91 методами акустической микроскопии. Визуализация упругих свойств материала

ГЛАВА 5. ПРИНЦИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СХОДЯЩЕГОСЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОРОТКОГО ИМПУЛЬСА С ТЕЛАМИ ОРТОТРОПНОЙ СИММЕТРИИ

5.1. Коэффициент отражения для различных компонент пространственного 96 спектра фокусированного ультразвукового пучка при взаимодействии такого пучка с ортотропной пластиной

5.2. Формирование Я-импульса, обусловленного отражением от передней 107 поверхности пластины

5.3. Формирование ¿-сигнала, обусловленного распространением 110 продольных волн

5.3.1. Х-ориентация ортотропной пластинки

5.4. Формирование Г- и ¿"-сигнала, обусловленного распространением 120 квазипоперечных и сдвиговых волн

5.4.1. Х-ориентация ортотропной пластинки

5.5. Формирование смешанных LT-, LS- и ST- эхосигналов за счет вклада 124 различных компонент пространственного спектра зондирующего пучка

Работа посвящена изучению взаимодействия коротких импульсов фокусированного ультразвука с границами раздела и плоскопараллельными объектами, развитию современных ультразвуковых измерительных методов высокого разрешения на основе такого взаимодействия и применению этих методов для изучения упругих свойств и микроструктуры одного из видов современных углеродных материалов - пиролитического наноуглерода. Общая тенденция современной науки и техники - переход к многофазным средам, системам с микро- и наноструктурной организацией, определяет всё возрастающую потребность в методах оценки структуры и измерения свойств таких материалов. Среди этих методов существенную роль играют ультразвуковые методы измерения упругих и вязких свойств, т.к. для многих композитов, многофазных и градиентных материалов именно их механические свойства и структура являются ключевым фактором, определяющим возможное применение и высокие потребительские качества.

Традиционные ультразвуковые методы [1] основываются на использовании плоских пучков и применяются для изучения однородных образцов. Для изучения объектов с неоднородной внутренней структурой или распределенными свойствами становится необходимым измерять локальные значения упругих характеристик. Применение фокусированных высокочастотных ультразвуковых пучков обеспечивает такую возможность: фокусированное излучение взаимодействует с объектом внутри фокальной области, размеры которой варьируются в диапазоне 10-100 мкм в зависимости от частоты 50-400 МГц. Фокусированные ультразвуковые пучки используются в акустической микроскопии для визуализации микроструктуры и измерения локальных упругих параметров материала. Классические микроакустические методы основываются на использовании гармонического излучения и короткофокусных акустических линз, при этом измеряются поверхностные упругие свойства (т.н. У(г)-методы), осуществляется визуализация микроструктуры поверхности или тонкого приповерхностного слоя [2-6]. Использование гармонического излучения не позволяет разделять сигналы от внутренних деталей объекта, что сразу ограничивает возможности метода.

Для создания методов измерения объёмных локальных упругих свойств и визуализации внутренней микроструктуры объектов было предложено перейти от гармонического зондирующего сигнала к коротким высокочастотным фокусированным импульсам [7]. При взаимодействии такого излучения с внутреними микронеоднородностями среды возникает эхо-сигнал, представляющий собой серию импульсов, возникающих при отражении зондирующего импульса от внутренних границ и различающихся по времени задержки. Измерение временных интервалов между эхо-импульсами от передней и задней поверхности даёт возможность определить скорости объёмных акустических волн в материале. В формирование отдельных импульсов в эхо-сигнале даёт вклад распространение через образец как продольных, так и поперечных волн. Применение фокусированного излучения обеспечивает локальность измерений.

Высокая рабочая частота определяет высокое латеральное разрешение. Малая длительность зондирующего импульса обеспечивает высокое разрешение по глубине. Применение акустических объективов с малой угловой апертурой обеспечивает достаточную длину фокальной области и эффективное проникновение фокусированного ультразвукового излучения в объём образца. В рамках метода всё еще остаётся ряд нерешённых вопросов. Остаются неизученными механизмы формирования структуры регистрируемого эхо-сигнала: чем обусловлено наличие или отсутствие отдельных эхо-импульсов; чем определяются временные интервалы между эхо-импульсами; какая существует взаимосвязь между структурой эхо-сигнала и свойствами наблюдаемого объекта, какова форма отдельных эхо-импульсов. Именно эти вопросы анализируются в данной работе. Результаты анализа являются теоретическим фундаментом для ультразвуковых методов измерения локальных объёмных упругих свойств. В работе методы используются для изучения свойств и микроструктуры одного из современных углеродных материалов.

Углеродные материалы в настоящее время вызывают особый интерес - на основе углерода впервые было показано существование таких молекулярных кластеров, как фуллерены и нанотрубы; углеродные волокна, ленты, нити участвуют в производстве современных композитов, существуют различные типы технического углерода и т.д. В работе изучается микроструктура и свойства пиролитического наноуглерода, получаемого в результате пиролиза природных углеводородов. Считается, что структура пиролитического наноуглерода состоит из атомных слоев графита и графитоподобных частиц, которые по своей природе являются высоко анизотропными, но благодаря субмикронному размеру этих частиц и их взаимной разориентации, пиролитический наноуглерод в целом обладает изотропными свойствами. Интерес к этому материалу обусловлен уникальным сочетанием его механических свойств - упругих пластических, усталостных, прочностных и трибологических, а также химической инертностью и технологичностью, что делает его привлекательным для применения в медицинском протезировании, в качестве материала для искусственных клапанов сердца [8,9]. Свойства материала тесно связаны с режимом его приготовления и сильно варьируются по объёму. Традиционно, диагностика качества и оценка анизотропии этого материала проводится оптическими поляризационными методами, слабо связанными с механическими свойствами материала. В работе развиваются микроакустические методы, которые позволяют измерять локальные упругие характеристики и оценивать упругую анизотропию, визуализировать внутреннюю структуру и микродефекты.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты могут быть сформулированы следующим образом.

1. Экспериментально и теоретически показано, что при взаимодействии короткого импульса фокусированного ультразвука с плоскопараллельным объектом сигнал, регистрируемый фокусирующей системой, состоит из разделенных во времени эхо-импульсов, обусловленных отражением от передней и задней поверхности образца и распространением в образце различных типов упругих волн. Временные интервалы между отдельными импульсами определяются временем распространения через образец фазы упругих волн, и могут быть использованы для измерения локальных значений объёмных упругих характеристик с оцениваемой степенью точности.

2. Методом стационарной фазы исследовано поведение выходного сигнала V(z,t), регистрируемого в результате взаимодействия короткого фокусированного ультразвукового импульса малой угловой апертуры с плоскопараллельным объектом. Анализ показывает, что формирование отдельных эхо-импульсов связано с наличием точек стационарности у фазы этих сигналов, что означает формирование точек схода распространяющихся в образце лучей на его задней поверхности. Количество лучей, участвующих в формировании точки схода, определяет величину и форму импульса, т.е. тип возникающей стационарной точки.

3. Показано, что в случае изотропного материала существует только три типа формы импульса — совпадающая с формой зондирующего импульса F0(/), интегральная G{t) и особая G\(t). В зависимости от положения акустической линзы относительно объекта эти формы переходят одна в другую. В случае анизотропного материала количество парциальных эхо-сигналов и их формы определяются также симметрией упругих свойств изучаемой среды.

4. Получено теоретическое обоснование использования длиннофокусных ультразвуковых пучков для измерения локальных значений фазовых скоростей упругих волн в плоскопараллельных образцах. Даются неравенства, определяющие возможные величины угловых апертур зондирующего пучка, для которых можно измерять скорости звука в материале пластины. Показано, что для большинства изучаемых материалов, со средни-ми скоростями продольного и поперечного звука (сь~ 4-6 км/с, с-г-2-3 км/с), угловая апертура 2вт зондирующего пучка должна иметь значения 20-30°.

5. Показано, что сигнал, отраженный от передней поверхности пластины -5-импульс, формируется при любом положении акустической линзы. Максимальная величина ^-сигнала возникает при фокусировании падающих из жидкости лучей на передней поверхности; форма импульса при этом совпадает с формой зондирующего сигнала. Смещение линзы из фокального положения приводит к тому, что вклады параксиальных и краевых компонент пучка разделяются - происходит расщепление импульса на два сигнала с переходом к интегральной форме (7(0 для них.

6. Показано, что при отражении компонент пучка от задней поверхности пластины формируются ¿-, ЬТ- и Г-импульсы, обусловленные однократным переотражением продольных (¿) и поперечных (7) волн в образце. Максимальная величина ¿-сигнала достигается, когда параксиальные компоненты падающего пучка образуют фокус продольных волн на задней поверхности. В этом положении линзы происходит переход от интегральной (7(/) формы импульса к особой Сп(/). ЬТ и Т эхо-импульсы образуются внутри ограниченного интервала смещений линзы по направлению к образцу. Форма ЬТ и Т импульсов, как правило, является особой См(/).

7. Для анизотропных сред увеличивается число парциальных эхо-импульсов за счет расщепления двух ветвей поперечных мод и распространения через образец двух типов поперечных волн.

8. Показано, что для анизотропного образца условия возникновения стационарных точек в фазе отраженных эхо-сигналов, т.е. условия наблюдения отдельных импульсов, определяются групповыми скоростями, тогда как временные интервалы между импульсами задаются фазовыми скоростями соответствующих упругих мод.

9. Для двух ориентации трансверсально изотропного пироуглерода, взятого в качестве простейшего анизотропного материала изучена динамика изменения структуры выходного сигнала в зависимости от положения акустической линзы относительно образца.

На примере различия в формирования ¿ сигнала для указанных ориентаций образца показывается принципиальное значение топологии поверхности медленности. Для высокосимметричной ориентации вдоль оси С„ формирование максимума сигнала связано со стационарными точками, обусловленными пересечением каустики с задней поверхностью образца. Для низкосимметричной ориентации поперек оси С„ стационарные точки, определяющие формирование ¿-сигнала, обусловлены точками схода отдельных лучей.

На примере формирования эхо-импульсов с участием поперечных волн для двух ориентаций образца показывается, что при ориентации образца вдоль С» на эхограмме существует единственный набор ¿Г и Г импульсов. Показано, что при поперечной ориентации образца разные компоненты углового спектра пучка возбуждают в образце две поперечные волны и обеспечивают эффективное расщепление ¿Г и Г сигналов.

10. Разработана микроакустическая техника для диагностики упругих свойств и объемной микроструктуры слабо анизотропных сред. Она эффективно использована для определения упругих свойств пиролитического наноуглерода. Предложена классификация оптически изотропного пиролитического наноуглерода по его упругим свойствам. Для двух модификаций впервые измерены скорости продольного и поперечного звука и определены полные наборы упругих постоянных. Методами В- и С-сканирования было показано наличие объёмной текстуры, которая может быть источником упругой анизотропии.

11. Предложены простые механические модели позволяющие установить взаимосвязь между молекулярной структурой и упругими свойствами углеродных материалов, оценивать их микро- и наноструктуру.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе теоретически изучено взаимодействие коротких импульсов фокусированного ультразвука с изотропными и анизотропными пластинами и проанализировано формирование выходного сигнала длиннофокусной фокусирующей ультразвуковой системы, возникающего в результате такого взаимодействия. На основе проведенного анализа обоснована методика измерения локальных объемных акустических и упругих свойств материалов с помощью импульсного фокусированного ультразвука. Эффективность методики была проверена экспериментально. С помощью развитой техники впервые были систематически исследованы упругие свойства и изучена микроструктура одного из видов современных углеродных материалов - пиролитического наноуглерода. На основе исследований была развита методика неразрушающей оценки материала, используемая для неразрушающего контроля в биомедицинских приложениях пиролитического наноуглерода в качестве материала для кардиопротезирования.

1. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир, 1972.

2. Lemons, R. A. and Quate, С. F., Acoustic Microscopy, in Physical Acoustics, Mason, W. P. and Thurston, R. N. Academic Press., London, 1979, pp. 1-92.

3. Березина С.И., Лямов B.E., Солодов И.Ю. "Вестник МГУ, Сер. Физика-астрономия", 1977, т.18, №1, стр.3-18.

4. Briggs, A., Acoustic Microscopy Clarendon Press, Oxford, 1992.

5. Gilmore, R. S., Industrial Ultrasonic Imaging Microscopy, in Physical Acoustics, Thurston, R. N., Pierce, A. D., and Papadakis, E. Academic Press, New York, 1999, pp. 275-346.

6. Bocros J.C., Chem. and phys. of carbon, 1969, v.5, p.62.

7. Волков T.M. Углеродный материал для искусственных клапанов сердца. М:Наука, 1962.

8. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. М., Мир, 1971.

9. Yamanaka, К., Surface acoustic wave measurement using an impulse converging beam. Journal of Applied Physics, 1983. v.54, pp. 4323-4329.

10. Кайно Г., Акустические волны: Устройства визуализация и аналоговая обработка сигналов. Москва, Изд-во «МИР», 1990.

11. Hadimioglu В., Quate C.F. Water acoustic microscopy at suboptical wavelength. Applied Physics Letters, 1983, v.43, pp.1006-1007.

12. Weglein, R.D., A model for predicting acoustic material signature. Applied Physics Letters, 1979. v.34 (3), pp. 179-181.

13. Parmon, W. and H.L. Bertoni, Ray interpretation of the material signature in the acoustic microscope. Electronics Letters, 1979. v. 15 (12) pp. 684-686.

14. Briggs A. An introduction to scanning acoustic microscopy. Microscopy Handbooks-12, Alden Press, Oxford, 1985.

15. Quate C.F., Atalar A., and Wickramasinghe H. K., Acoustic microscope with mechanical scanning -a review, Proc. IEEE, 1979, v. 67 (8), pp. 1092-1113.

16. Atalar, A. and Hoppe, M., High-performance acoustic microscope, Rev. Sci. Instr, 1986. v.57 (10), pp.2568-2576.

17. Lemons, R.A. and Quate, C.F. Integrated circuits as viewed with an acoustic microscope. Appl.Phys.Lett., 1974, v.25 pp.251-253.

18. Lemons, R.A. and Quate, C.F. Acoustic microscope scanning version. Appl.Phys.Lett., 1974, v.24 (2), pp.163-165.

19. Wilson, T. and Sheppard, C., Theory and Practice of Scanning Confocal Microscopy, Academic Press, London, 1984.

20. Bond W.L., Cutler C.C., Lemons R.A., Quate, C. F. Dark-field and stereo viewing with the acoustic microscope. Appl.Phys.Lett., 1975, v.27 (5), pp.270-272.

21. Tucker P.A., Wilson R.G. Acoustic microscopy of polymers. J.Polym.Sci., 1980. v. 18, pp.97-103.

22. Weaver, J.M. R., Somekh M.G., and Briggs, A.D., Peck S.D., Illett C. Application of the scanning reflection acoustic microscope to the study of materials science, IEEE Trans. Sonics.Ultrason. 1985, v.Su-32 (2), pp. 302-312.

23. Sinton, A.M., Briggs, G. and Tsukahara, Y., Time-resolved acoustic microscopy of polymer-coatings, in Acoustical Imaging, Kushibiki, J. Plenum Press, New York, 1989, pp. 87-95.

24. Levin, V.M., Blank, V.D., Prokhorov, V.M., Soifer, J.M., and Kobelev, N.P., Elastic properties of solid C6o: measurements and relationship with nanostructure, J. Phys. Chem. Sol., 2000, v.61 (7), pp. 1017-1024.

25. Hirsekorn S. and Pangraz S., Materials characterization with the acoustic microscope. Applied Physics Letters, 1994. v. 64 (13), pp. 1632-1634.

26. Kushibiki J., Ohkubo A., and Chubachi N., Anisotropy detection in sapphire by acoustic microscope using line-focus beam, Electron. Lett., 1981. v. 17 (15), pp.534-536.

27. Li W. and Achenbach J.D., Determination of elastic constants by time-resolved line-focus acoustic microscopy, IEEE Transactions On Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 1997. v.44 (3), pp.681-687.

28. Lawrence C.W., Briggs G.A.D., Scruby C.B., and Davies J.R.R., Acoustic microscopy of ceramic-fiber composites. V.l-3, J. Mater. Sci., 1993. v.28 (13), pp.3635-3660.

29. Wang L., Rokhlin S. Time-Resolved Line Focus Acoustic Microscopy of Layered Anisotropic Media: Application to Composites. IEEE Trans.Ultrason., Ferroel. and Freq. Cont., 2002. v.49 (9), p. 1231.

30. Zhang Q., Levin V.M., Liu S. et al, Preliminary study on morphology of in-situ hybrid composites by using acoustic microscopy, Progress in natural science, v.ll Suppl, 2001, Taylor & Francis, London and Washington, Science in China Press, pp. 160-164.

31. Weglein, R.D., Integrated-circuit inspection via Acoustic microscopy, IEEE Trans. Son. Ultrason., 1983. v. 30(1), pp.40-42.

32. Crean, G.M., Flannery, C.M., and Mathuna, S.C., Acoustic Microscopy Analysis of Microelectronic Interconnection and Packing Technologies, in Advanced in Acoustic Microscopy, Briggs, A. Plenum Press, New York, 1995, pp. 1-48.

33. Moore, T.M., C-Mode Acoustic Microscopy Applied to Integrated-Circuit Package Inspection, SolidState Electron., 1992. v.35 (3), pp.411-421.

34. Pfannschmidt, G., Characterization of electronic components in acoustic microscopy, in Advances in Acoustic Microscopy, Briggs, A. and Arnold, W. Plenum Press, New York, 1996, pp. 1-38.

35. Barton, J., Compagno, Т., and Barrett, J., Scanning acoustic mycroscopy studies of microelectronic packging, in Acoustical Imaging, Halliwell and Wells Kluwer Academic, New York, 2000.

36. Hildebrand J.A., Rugar D., Johnston R.N. R.N, Quate C.F. Acoustic microscopy of living cells.//Biophysics, 1981. v.78, №3, pp.165-1660.

37. Foster F.S., Pavlin C.J., Lockwood G.R., et al. Principles and application of ultrasound backscatter microscopy. IEEE Trans. UFFC, 1993, v.40, pp. 608-616.

38. Денисова Л.А., Маев Р.Г., Денисов-Никольский Ю.И., Матвейчук И.В., Денисов А.А. Основы применения акустической миикроскопии в медико-биологических исследованиях. Учебное пособие. Москва, 2002, 64 стр.

39. Tsai C.S., Wang S.K., Lee С.С. Visualization of solids material joints using a transmission type scanning microscope. Appl.Phys.Lett., 1977, v.31, №5, pp.317-320.

40. Sinclair D.A., Smith I.R., Bennet S.D. Elastic constants measurements with a digital acoustic microscope. IEEE Trans.Sonics Ultrason., v.Su-31, №4, 1984.

41. Ениколопов H.C., Колосов O.B., Лагутенковва Е.Ю., Маев Р.Г., Новиков Д.Д. Изучение гетерогенности полимерных смесей методом сканирующей акустической микроскопии. Докл.АН СССР, 1987, т.292, №6, с.1418-1422.

42. Wickramasinghe, Н.К., Hall М. Phase imaging with the scanning acoustic microscope. Ellectron Lett., 1976. v.12, №24, pp.637-638.

43. Grill, W., Hillmann, K., Wurtz, K. U., and Wesner, J., Scanning ultrasonic microscopy with phase contrast, in Advances in Acoustic Microscopy, Briggs, A. and Arnold, W. Plenum Press, New York, 1996, pp. 167-218.

44. Wickramasinghe, H. K. Scanning acoustic microscopy. A review. J.Microscopy., 1983, v.129, №1, pp.63-73.

45. Smith I.R., Wickramasinghe, H. K. Differential phase contrast in the acoustic microscope. Ellectron Lett., 1982, v. 18, pp.92-94.

46. Nikoonahad M. Recent advances in high resolution acoustic microscopy. Contemp. Phys., 1984, v.25, (2), pp.129-158.

47. Poirier M., Castonguay M., Neron C., Cheeke J.D.N. Nonplanar surface characterization by acoustic microscopy. J.Appl.Phys. 1984, v.55 (1), pp.89-93.

48. Kompfner R., Lemons R.A. Nonlinear acoustic microscopy. Appl.Phys.Lett., 1976, v.28 (6), pp.295297.

49. Yeach C.C., Chodorov M., Cutler C.C. Nonlinear acoustic off-axis imaging. J.Appl.Phys., 1980, v.51 (9), pp.4631-4637.

50. Tan M.R.,Ransom H.L., Cutler C.C., Chodorov M. Oblique off-specular, linear and nonlinear observation with a scanning micron wavelength acoustic microscope. J.Appl.Phys., 1985, v.57 (11), pp.4931-4935.

51. Gilmore R.S., Tam K.C., Young J.D., Howard D.R. Acoustic microscopy from 10 to 100 MHz for industrial applications. Phil.Trans.Royal Soc.Lond., 1986, v. A320, pp.215-235.

52. Aymerich F., Meili S. Ultrasonic evaluation of matrix damage in impacted composite laminates. Composites: Part B, 2000, v.31, pp. 1-6.

53. Berson M., VaillantL., PatatF., PourcelotL. High-resolution real-time ultrasonic scanner. Ultrasound in Med. Biol., 1992, v.l8,471-478.

54. Bronson N.R. Development of a simple B-scan ultrasonoscope. Trans. Amer. Ophtalmol.Soc.,1972, v.70, pp. 365-408.

55. Petronyuk Yu.S., Levin V.M., Zygan V.N., Microacoustical NDE of pyrocarbon materials for cardiovascular prosthetic application, Annals of transplantation, 2004, v.9 (la) Suppl., pp.113-115.

56. Berezina, S., Blank, V., Levin, V., and Prokhorov, V., Observation of ultrasound velocity gradient in fullerene ceramics by acoustic microscopy, Ultrasonics 2000. v.38 (1-8), 327-330.

57. Xiang, D., Hsu, N.N. and Blessing, G.V., The design, construction and application of a large-aperture lens-less line-focus PVDF transducer, Ultrasonics, 1996. v.34 (6), pp. 641-647.

58. Matikas T. Quantitative short-pulse acoustic microscopy and applications to materials characterization. Microsc.Microanal., 2000. v. 6, pp. 59-67.

59. Kundu T. Thin film characterization by acoustic microscopy. Integrated Ferroelectrics, 1997. v. 15 (1-4), pp.3 09-316.

60. Achenbach J. D., Kim J.O. and Lee Y.C. Measuring thin-films elastic constant by line-focus acoustic microscope, in Advances in Acoustic microscopy, A.Briggs, Editor. 1995, Plenum Press: New-York, pp. 153-208.

61. Manghnani M.H., Tkachev S., Zinin P.V., Zhang X., Brazhkin V.V., Lyapin A.G. and Trojan I.A., Elastic properties of superhard amorphous carbon pressure- synthesized from C60 by surface Brillouin scattering, Phys. Rev. B, 2001. 6412 (12), p.121403.

62. Parmon W. and Bertoni H. L., Ray interpretation of the material signature in the acoustic microscope, Electronics Letters, 1979. v.15 (12), 684-686.

63. Колосов O.B., Левин B.M., Маев Р.Г. и др. Акустическая микроскопия коллагеновых тканей. В кн. «Медицинская биомеханика». 1986, т.1, с.200-205.

64. Maev R.G., Levin V.M., Basic principles of output signal in transmission acoustic microscopy. Trans.Royal Microscopy Soc. MICRO 90. v.l, pp. 107-110.

65. Kolosov O.V., Levin V.M., Maev R.G. et al. Investigation of viscoelastic properties of biopolymer using transmission acoustic microscopy. Proc.Int.Sym. on new method and instruction in boil, and med. M.1987. pp.141-146.

66. Колосов О.В., Мациев Л.Ф. Измерение параметров микроструктуры полимерных композиционных материалов с помощью трансмиссионного акустического микроскопа. Деп.ВИНИТИ от 27.08.88 №5955-В88. М.1988, 10 с.

67. Daft C.M.W., Briggs G.A.D., and Obrien W.D., Frequency-Dependence of Tissue Attenuation Measured By Acoustic Microscopy, Journal of the Acoustical Society of America, 1989. v.85 (5), pp.2194-2201.

68. Weaver J.M. R., Daft C.M.W. and Briggs G.A.D., A quantitative acoustic microscope with multiple detection modes, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr., 1989. v.36 (5), pp.554-560.

69. Zhang J., Baboux J.C., and Guy P., PVDF large aperture spherical transducer in the transient mode, in Proceedings of IEEE 1994 Ultrasonic Symposium, McAvoy, B. R., Levy, M., and Scheider, S. C. IEEE Press, New York, 1994, pp. 517-520.

70. Levin V.M., Petroniuk J.S. Wang L., Hu J., Zhang Q., Elastic properties and microstructure of metallic glasses Pd39NiioCui0P2i studied by microacoustical technique. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 754 © 2003 Materials Research Society.

71. Liu S., Guo E., Levin V.M., and Petronvuk Y.S., Acoustic Imaging of microstructures of carbon fiber-reinforced polymer composite laminates. Proc. MRS Fall Meeting, 2001, Boston, USA.

72. Wooh S.-C., Weil C., A high-fidelity ultrasonic pulse-echo scheme for detecting delaminations in composite laminates. Composites: Part B, 1999, v.30, pp.433-441.

73. Grill W., Hillmann, K., Kim T.J., Lenkeit O., Ndop J., Schubert M. Scanning acoustic microscopy with vector contrast. Physica B, 1999, v.263-264, pp.553-558.

74. Rokhlin S.I. and Wang W., Double through-transmission bulk wave method for ultrasonic phase velocity measurement and determination of elastic constants of composite materials, J. Acoust. Soc. Amer., 1992. v. 91, pp. 3303-3312.

75. Parthasarathi S., Tittmann B.R. and Ianno R. J., Quantitative acoustic microscopy for characterization of the interface strength of diamond-like carbon thin films, Thin Solid Films 1997. v.300 (1-2), 42-50.

76. V.D. Blank, V.M. Levin, V.M. Prokhorov, S.G. Buga, G.A. Dubitsky, N.R. Serebryanaya. Упругие свойства ультратвердых фуллеритов JETP, 1998. v.87, № 4.

77. Физические величины, под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мелихова, М., Энергоатомиздат, 1991.

78. Сладков A.M. Карбин третья форма углерода, М.: Наука 2003. с. 151

79. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., Curl R.F., Smalley R.E. C60: Buckminsterfullerene. Nature, 1985. v.318, p.162.

80. O'Keeffe M. Nature, 1991, v.352, p.674.

81. Rao A.M., Zhou P., Wang K.A., Science, 1993, v.259, p.955.

82. Iij'ima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, London, 1991, 354(6348), p.56-58.

83. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eklund P. Science of fullerenes and carbon nanotubes. Academic press, San Diego, CA, 1996.

84. Iijima S., Growth of carbon nanotubes. Materials Science and Engineering B-Solid State Materials for Advanced Technology, 1993. v.19 (1-2), pp.172-180.

85. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. and Saito R. Physics of carbon nanotubes. Carbon. 1995. v.33, №7, pp.883-891.

86. Blank V.D„ Buga S.G., Popov M.Yu., Davydov V.A., Agafonov V., Ceolin R., Szwarc H., Rassat A., Fabre C. Fullerene C6o under the influence of high pressure together with high shear stresses: how to scratch diamond. New J. Chem., 1995, v. 19, pp.253 262.

87. Fitzer E. Carbon fibers and their composites. Springer-Verlang, Berlin, 1986.

88. Cabioc'h Th., Camelio A,S., Henrard L., Lambin Ph. Optical transmittance spectroscopy of concentric-shell fullerenes layers produced by carbon ion implantation. Eur. Phys. J. B, 2000, v. 18, pp.535-540.

89. Ugarte D. Onion-like graphite particles. Carbon, 1995, v.33, №7, pp.989-993.

90. Balaban A.T. On a 3-connected carbon net (infinite tridimentional latticc of sp2-hybridized carbon atoms) and congeneric systems. Revue Roumaine de Chimie, 1988, v.33, №4, pp.359-362.

91. Теснер П.А., Кинетика образования пироуглерода., М., 1979, 132с.

92. Велик Р.В. Исследования в области технологий производства изделий из пирографита. Инв. № ГИПХ 1440, 1968,59с.

93. Bocros J.C. Chemistry and physics of carbon, v. 5, NY., 1969, pp. 103-172.

94. Moore A.W. Chemistry and physics of carbon, 1973, v.l 1, pp. 1-68.

95. Bocros J.C. Chemistry and physics of carbon, 1973, v.9, pp.5-119.

96. Parker W.G. и Wolfhard H.G., J.Chem.Soc., 1950, p.2038.

97. Oberlin A. Pyrocarbons -review. Carbon, 2002, v.40, pp.7-24.

98. Татаринов В.Ф., Стаховская B.O. Аналитический обзор: углеситаллы. М.: 1987, 49с.

99. Волков Т.М. и д.р. Углеродный материал для искусственного клапана сердца. 1962,20с.

100. Oberlin A. Chemistry and physics of carbon, v. 22, NY., pp. 1-143.

101. Ergun S. Optical study of carbon Chemistry and physics of carbon, 1968. v. 3, NY., pp. 47-119.

102. Blackslee O.L. Elastic constants of compression-annealed pyrolytic graphite. J.Appl.Phys., 1970. v.41 (8), pp. 3373-3382.

103. Blank V.D., Levin V.M., Prokhorov V.M., Buga S.G., Dubitskii G.A., Serebiyanaya N.R. Elastic properties of ultrahard fullerites. J.Exp. Theor.Phys. (JETPh), 1998. v.87, pp.741-746.

104. Burchell T.D. Carbon materials for Advanced Technologies. Pergamon, 1999.

105. Levin V.M., Petronyuk Yu.S. Ponomareva I.V. Modeling mechanical properties of carbon molecular clusters and carbon nanostructural materials. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol.740 © 2003 Materials Research Society

106. R.S.Ruoff, and A.L.Ruoff, Nature, 350 (1991) 663.

107. Brenner D.V. The art and science of an analytic Potential. Phys.stat.sol.(b), 2000, v.217, p.23.

108. Chemozatonskii L.A., Serebiyanaya N.R., Marvin B.N. Chem.Phys.Lett., 2000. v.316, pp. 199-204.

109. Serebiyanaya N.R., Chemozatonskii L.A. Sol. St.Commun., 2000. v.l 14, pp.537-541.

110. Nunez-Regueiro M., Marcques L., Hodeau J.-L., Bethoux O. and Perroux M. Phys.Rev.Lett., 1995. v.74, pp. 278.

111. Burgos E„ Halac E., Weht R., et al. Phys.Rev.Lett., 2000, v.85, №11, pp. 2328-2331.

112. Okada S., Saito S. and Oshiyama A., Phys.Rev.Lett., 1999, v.83, № 10.

113. Davydov V.A., Kashevarova L.S., Revin O.G., Agofonov V., Dubois P., Ceolin R. and Szwarc H. Mol.Mat., 1996. v.7,p. 285.

114. Бреховских Jl.M. Акустика слоистых сред. М: Наука, 1973.

115. Weil H. Ausbreitung electromagnetisher Wellen über einen ebenen Leiter. Ann.Phys. 1919. B.60 S 481-500.

116. Татаринов В.Ф, Стаховская B.O. Аналитический обзор: углеситаллы. М.: -1987, 49с.

117. Пирографит изотропный медицинского назначения (ПГИ-М). Технические условия. М.: -1992, 24с.

118. Волков Т.М. и д.р. Углеродный материал для искусственного клапана сердца. 1962, 20с.

119. Atalar, A., An angular-spectrum approach to contrast in reflection acoustic microscopy. Journal of Applied Physics, 1978. v.49 (10), pp. 5130-5139.

120. Bertoni, H.L. and M.G. Somekh, Ray-optical analysis of spherical focusing transducers for acoustic microscopy, in IEEE 1985 Ultrasonics Symposium Proceedings, B.R. McAvoy, Editor. 1985, IEEE Press.: New York. p. 715-719.

121. Левин B.M., Лобкис О.И., Маев Р.Г. Исследование пространственной структуры акустических полей сферическим фокусирующим преобразователем. Акустический журнал, 1990. т.36, вып. 4, стр.696-702.

122. Bertoni H.L. Ray optical evaluation of V(z) in the reflection acoustic microscope, IEEE Trans. Sonic & Ultrasonic, 1984. SU-31(2), pp.105-116.

123. Sheppard C.J.R., Wilson Т. Effects of high angles of convergence on V(z) in scanning acoustic microscope, Appl.Phys.Lett., 1981. v.38 (11), pp. 858-859.

124. Най Дж. Физические свойства кристаллов,. М.-1960, Ин.лит-ра, 385с.

125. IO.C. Петронюк. В.М. Левин, Наблюдение анизотропии в оптически изотропном пиролитическом наноуглероде микроакустическими методами. Кристаллография, 2005, т.50, №3, с. 544-549.

126. Yu.S. Petronyuk. V.M. Levin, V.N. Zygan, Microacoustical NDE of pyrocarbon materials for cardiovascular prosthetic application, Annals of transplantation (Sappl.), 2004, v.9, №la, pp.113115.