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日本科学家开发新技术,以非接触方式检测透明材料的缺陷

前瞻网    2021-10-03 16:06

 

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透明材料已经成为各种技术应用的重要组成部分,例如平板电脑和智能手机等日常电子产品,还有太阳能电池板、医学和光学等更复杂的用途。就像任何其他产品的大规模生产一样,质量控制对这些材料来说非常重要。目前,已经开发了几种技术来检测材料的微观划痕或缺陷。

扫描测定材料损坏的一个方法是使用“兰姆波”(Lamb waves)。兰姆波是以英国数学家贺拉斯·兰姆爵士(Sir Horace Lamb)的名字所命名,它是在适当的机械激励下,在固体板材中产生的弹性波。由于兰姆波的传播会受到表面损伤(如划痕)的影响,它们可以用来确保扫描的材料不存在缺陷。但是,在透明材料上产生兰姆波并进行后续测量并不简单。

虽然有基于激光的技术,可以以非接触的方式产生兰姆波,但激光参数需要针对每种材料进行仔细校准,以避免造成损害。此外,现有的方法不能产生足够振幅的兰姆波。因此,必须进行重复测量,并取其平均值以获得可靠的数据,这样的流程非常耗时。至于测量产生的兰姆波,目前没有任何技术,能够快速检测并使用它们来寻找透明表面的亚毫米级损伤。

为了解决这些问题,日本科学家研究小组开发了一个新的框架,用于生成和检测透明材料中的“S0模式”(零阶对称模式)兰姆波。

首先,研究团队必须找到一种方便的技术,来产生兰姆波而不损坏样品。为此,他们利用了一种在其他工作中成功使用过的方法,以无接触的方式产生机械振荡:激光诱导等离子体(LIP)冲击波。简单来说,LIP可以通过将一束高能激光聚焦在一小部分气体上产生。激光的能量使气体分子通电并导致它们电离,在材料表面附近产生一个不稳定的“等离子体气泡”。等离子体气泡以超高速向周围扩张,产生冲击波,作为激发力,在目标结构上产生兰姆波。

接着,研究人员需要测量产生的波。通过使用高速偏振照相机来实现这一目标,顾名思义,偏振照相机可以捕捉穿过透明样品的光线偏振。这种偏振包含了与材料的机械应力分布直接相关的信息,这反过来又能反映兰姆波的传播。

为了测试这种新方法,研究团队在一些平坦的透明聚碳酸酯板上制造了微观划痕,并比较了兰姆波在受损和原始样品上的传播情况。正如预期的那样,当兰姆波在受损区域传播时,划痕在板的应力分布上造成了明显的差异,通过检测只有几十微米的划痕,证明了这种新方法的潜力。

研究人员认为,这项研究是一个新突破,这些发现令人振奋。但是,损伤的大小或类型、相机镜头的放大率,以及透明样品的特性,对这个方法的可检测缺陷尺寸限制的影响,仍需要在未来工作加以验证。希望这种巧妙的非接触、非破坏性的损伤检测方案,可以有助于降低高质量透明材料的生产成本。

题为“Measurements of S0 mode Lamb waves using a high-speed polarization camera to detect damage in transparent materials during non-contact excitation based on a laser-induced plasma shock wave”的相关研究论文发表在《工程光学与激光》杂志上。

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责任编辑: 4150ZYN

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