Особенности распространения акустических нормальных волн в тонких пористых листах терморасширенного графита

Терморасширенные графиты относятся к новому классу графитовых материалов, обладающих уникальными физико-химическими и механическими свойствами. Скорость акустических волн – одна из важнейших характеристик при исследованиях пористых материалов, в том числе, тонких пористых листов терморасширенного графита. В статье экспериментально исследованы особенности распространения симметричной моды S0 волны Лэмба и SH-волны горизонтальной поляризации в листах терморасширенного графита. Для определения скоростей использована дифференциальная схема измерений, реализованная на базе низкочастотного акустического дефектоскопа DIO1000 LF и специализированных пьезопреобразователей с сухим точечным контактом. Дополнительно определена скорость продольной волны в направлении толщины листа с использованием пьезопреобразователей на основе поливинилидентфторида. Построены индикатрисы скоростей нормальных волн в плоскости проката и показано, что максимальная акустическая анизотропия его свойств характерна для используемой S0 моды, при этом минимум скорости соответствует продольному направлению плоскости проката, в котором наблюдается максимальная вытянутость газовых пор. Исследовано влияние толщины и плотности листов терморасширенного графита на скорость нормальных волн и показано наличие области толщин, где наблюдается их минимальное значение вследствие максимальной неоднородности слоёв, формируемых в процессе прокатки. Предложена методика определения динамических упругих модулей пористых листов терморасширенного графита по данным экспериментально измеренных скоростей нормальных волн и показано, что в продольном направлении плоскости проката коэффициент Пуассона принимает отрицательное значение, что позволяет отнести указанный материал к ауксетикам.

1. Isaev O.Yu. Tekhnologiya i apparaturnoe oformlenie protsessa proizvodstva uplotnitel'nykh materialov iz termorasshirennogo grafita / O.Yu. Isaev, D.V. Smirnov, V.P. Lepikhin [i dr.] // Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. - 2006. № 4. - S. 76-79.

2. Yakovlev A.V. Termorasshirennyi grafit: sintez, svoistva i perspektivy primeneniya (Obzor) / A.V. Yakovlev, A.I. Finaenov, S.L. Zabud'kov, E.V. Yakovleva // Zhurnal prikladnoi khimii. - 2006. - T. 79. - № 11. - S. 1761-1771.

3. Khanov A.M. Osobennosti stroeniya i ispol'zovaniya termorasshirennogo grafita / A.M. Khanov, L.E. Makarova, A.I. Degtyarev [i dr.] // Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie. - 2012. - T. 14. № 1. - S. 92-106.

4. Murugan P. Recent trends in the applications of thermally expanded graphite for energy storage and sensors - a review / P. Murugan [et al.] // Nanoscale Advances. - 2021. - Vol. 3. - Pp. 6294-6309.

5. Karavaev D.M. Vliyanie strukturno-morfologicheskikh osobennostei termorasshirennogo grafita na iznosostoikost' kompozitsionnogo materiala s kremniiorganicheskim svyazuyushchim / D.M. Karavaev, A.M. Khanov, E.V. Matygullina, L.D. Sirotenko // Izvestiya Samarskogo nauchnogo Tsentra Rossiiskoi akademii nauk. - 2013. - T. 15. - № 4(6). - C. 378-381.

6. Afanasov I.M. Teploprovodnost' i mekhanicheskie svoistva termorasshirennogo grafita / I.M. Afanasov [i dr.] // Neorganicheskie materialy. 2009. - T. 45. - № 5. - S. 540-544.

7. Bogdan O.P. Issledovanie plotnosti obraztsov iz termorasshirennogo grafita akusticheskim amplitudno-tenevym metodom / O.P. Bogdan [i dr.] // Defektoskopiya. - 2023. - № 8. - S. 21-31. https://doi.org/10.31857/S0130308223080031

8. Bogdan O.P. Eksperimental'naya otsenka vozmozhnosti obnaruzheniya skvoznykh defektov v zagotovkakh iz termorasshirennogo grafita akusticheskim metodom / O.P. Bogdan [i dr.] // Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova. - 2024. - T. 27. - № 2. - S. 97- https://doi.org/DOI: 10.22213/2413-1172-2024-1-97-105

9. Makalkin D.I. Izmerenie lokal'nykh modulei uprugosti konstruktsionnykh materialov s ispol'zovaniem lazernykh istochnikov ul'trazvuka / D.I. Makalkin[i dr.] // Doklady Rossiiskoi akademii nauk. Fizika, tekhnicheskie nauki. - 2022. - T. 502. - № 1. - S. 63-66. https://doi.org/10.31857/S2686740022010126

10. Shibaev I.A. Opredelenie dinamicheskikh modulei uprugosti obraztsov gornykh porod pri ispol'zovanii razlichnykh metodov lazernoi ul'trazvukovoi diagnostiki / I.A. Shibaev // GIAB. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten'. 2021. - № 4-1. - S. 138-147. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_41_0_138

11. Murav'eva O. Acoustic properties of low-carbon 2% Mn-doped steel manufactured by laser powder bed fusion technology / O. Murav'eva [et al.] // Additive Manufacturing. 2022, vol. 51, P. 102635. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102635

12. Murav'eva O.V. Akusticheskie svoistva martensitno-stareyushchei stali XM-12 posle energeticheskikh vozdeistvii / O.V. Murav'eva [i dr.] // Frontier Materials & Technologies. - 2024. - № 2. - S. 87- 100. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2024-2-68-8

13. Murav'ev V.V. Acoustic and Electromagnetic Properties of Maraging Iron-Chromium-Nickel Alloy with Addition of Copper in Mechanical Tension / V.V. Murav'ev, O.V. Murav'eva, A.L. Vladykin // Russian Journal of Nondestructive Testing. - 2023. - Vol. 59. - No. 5. - Pp. 515-523. https://doi.org/10.1134/s1061830923700365

14. Murav'ev V.V. Formirovanie ostatochnykh napryazhenii v tsilindrakh glubinno-shtangovykh nasosov posle tekhnologicheskikh operatsii izgotovleniya / V.V. Murav'ev [i dr.] // Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova. - 2024. - T. 27. - № 2. - S. 87-96. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2024-2-87-96

15. Uglov A.L. O nerazrushayushchem kontrole ostatochnykh napryazhenii v detalyakh osesimmetrichnoi formy iz stali 03N17K10V10MT / A.L. Uglov [i dr.] // Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova. - 2019. - T. 22. - № 4. - S. 3-9. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2019-4-3-9

16. Murav'ev V.V. Vliyanie tsiklicheski izmenyayushchikhsya nagruzok na skorosti sdvigovykh i releevskikh voln v stal'nykh prutkakh raznoi termicheskoi obrabotki / V.V. Murav'ev, A.Yu. Budrin, M.A. Sintsov // Intellektual'nye sistemy v proizvodstve. - 2020. - T. 18. - № 4. - S. 4-10. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2020-4-10

17. Mishakin V.V. On low-cycle fatigue of austenitic steel. Part I: Changes of Poisson's ratio and elastic anisotropy / V.V. Mishakin [et al.] // International Journal of Engineering Science. - 2021. - Vol. 168. - Pp. 103567. https://doi.org/10.1016/j.ijengsci.2021.103567

18. Khlybov A.A. Issledovanie povrezhdennosti obraztsov iz stali 12Kh18N10T pri malotsiklovoi ustalosti metodami nerazrushayushchego kontrolya / A.A. Khlybov, Yu.G. Kabaldin, D.A. Ryabov [i dr.] // Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. - 2021. - T. 87. - № 5. - S. 61-67. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2021-87-5-61-67

19. Ababkov N.V. Issledovanie dislokatsionnoi struktury, vnutrennikh napryazhenii i pereraspredeleniya atomov ugleroda v zone lokalizovannoi deformatsii v konstruktsionnoi stali 20 / N.V. Ababkov, V.I. Danilov, A.N. Smirnov [i dr.] // Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya. - 2024. - T. 21. - № 1. - S. 112-121. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2024.01.013

20. Britenkov A.K. Issledovanie metodom akusticheskogo zondirovaniya fiziko-mekhanicheskikh svoistv titanovogo splava Ti-6Al-4V, poluchennogo metodom posloinogo lazernogo splavleniya / A.K. Britenkov, V.M. Rodyushkin, A.V. Ilyakhinskii // Fizika i mekhanika materialov. - 2021. - T. 47. - № 1. - S. 139-158. https://doi.org/10.18720/MPM.4712021_14

21. Murav'ev V.V. Strukturoskopiya termicheski obrabotannykh stal'nykh prutkov po skorosti rasprostraneniya releevskikh voln / V.V. Murav'ev, A.Yu. Budrin, M.A. Sintsov // Intellektual'nye sistemy v proizvodstve. - 2020. - T. 18. - № 2. - S. 37-43. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2020-2-37-43

22. Baev A. Possibilities of using of surface and subsurface waves’ amplitude-angle characteristics for control of materials with surface-hardened inhomogeneous layer / A. Baev [et al.] // Devices and Methods of Measurements. 2022, vol. 13, no 4, pp. 263-275. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-4-263-275

23. Murav'ev V.B. Strukturoskopiya vitkov pruzhin posle vysokotemperaturnoi mekhnicheskoi obrabotki na osnove izmereniya skorosti releevskikh voln / V.B. Murav'ev, L.V. Gushchina // Pribory i metody izmerenii. - 2022. - T. 13. - № 2. - S. 147-154. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2022-13-2-147-154

24. Murav'ev V.V. Akusticheskie i elektromagnitnye svoistva zagotovok stvolov grazhdanskikh ruzhei / V.V. Murav'ev i dr.] // Intellektual'nye sistemy v proizvodstve. - 2023. - T. 21. - № 1. - S. 59-70. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-1-59-70

25. Biot M.A. Acoustics, elasiticity, and thermodynamics of porous media: twenty-one papers. New York: Acoustical Society of America, 1992. 265 p.

26. Knyaz'kov N.N. Akustika poristo-uprugikh nasyshchennykh zhidkost'yu sred (obzor teorii Bio) / N.N. Knyaz'kov, B.P. Sharfarets // Nauchnoe priborostroenie. - 2016. - T. 26. - № 1. - S. 77-84.

27. Kidner M. A compARison and review of theories of the acoustics of porous materials / M. Kidner, C. Hansen // International Journal of Acoustics and Vibrations. 2008, vol. 13, pp. 1-27.

28. Jimenez N. Acoustic Waves in Periodic Structures, Metamaterials, and Porous Media: From Fundamentals to Industrial Applications / N. Jimenez, O. Umnova, J.-P. Groby // Topics in Applied Physics. Springer. 2021, 444 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-84300-7

29. Omella A.J. A simulation method for the computation of the effective P-wave velocity in heterogeneous rocks / A.J. Omella, J. Alvarez-Aramberri, M. Strugaru, et al. // Computational Mechanics. 2021, vol. 67, pp. 845865. https://doi.org/10.1007/s00466-020-01966-3.

30. Ba A. Thomas Brunet Soft porous silicone rubbers with ultra-low sound speeds in acoustic metamaterials / A. Ba, A. Kovalenko, C. Aristégui, O. MondainMonval, T. Brunet // Scientific Reports. 2017, vol. 7, P. 40106. https://doi.org/10.1038/srep40106

31. Magliacano D. Computation of dispersion diagrams for periodic porous materials modeled as equivalent fluids / D. Magliacano [et al.] // Mechanical Systems and Signal Processing. 2020, vol. 142, P. 106749. https://doi.org/106749. 10.1016/j.ymssp.2019.05.040

32. Dmitriev V.L. Propagation of Acoustic Waves in a Water-Saturated Porous Medium Formed by a Gas Hydrate / V.L. Dmitriev, I.G. Khusainov, I.K. Gimaltdinov // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2021, vol. 94, no. 6, pp. 1563-1570. https://doi.org/10.1007/s10891-021-02437-z

33. Sokolovskaya Y.G. Using Broadband Acoustic Spectroscopy with a Laser Source of Ultrasound to Study the Frequency Dependences of the Phase Velocity of Longitudinal Acoustic Waves in Porous Carbon Fiber Reinforced Plastic Composites / Y.G. Sokolovskaya, N.B. Podymova, A.A. Karabutov // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2021, vol. 85, no. 1, pp. 93-97. https://doi.org/10.3103/S1062873821010251

34. Fedotovskii V.S. Poristaya sreda kak akusticheskii metamaterial s otritsatel'nymi inertsionnymi i uprugimi svoistvami / V.S. Fedotovskii // Akusticheskii zhurnal. - 2018. - T. 64. - № 5. - S. 547-553. https://doi.org/10.1134/S0320791918050027

35. Bobrovnitskii Yu.I. Akusticheskii metamaterial s neobychnymi volnovymi svoistvami / Yu.I. Bobrovnitskii // Akusticheskii zhurnal. - 2014. - T. 60. - № 4. - S. 347. https://doi.org/10.7868/S0320791914040017

36. Sitdikova L.F. Akusticheskie volny v poristykh sredakh, nasyshchennykh vodoi s puzyr'kami gaza na stenkakh por / L.F. Sitdikova // Neftegazovoe delo. - 2020. - T. 18. - № 5. - S. 36-42. https://doi.org/10.17122/ngdelo-2020-5-36-42

37. Groby J.-P. The use of slow waves to design simple sound absorbing materials / J.-P. Groby, W. Huang, A. Lardeau, Y. Auregan // Journal of Applied Physics. 2015, vol. 117, no. 12. https://doi.org/10.1063/1.4915115

38. Guo J. Exploring Acoustic Wave Propagation and Equivalent Path in Quasi-Porous Medium of Loose Coal Mass / J. Guo [et al.] // Natural Resources Research. 2024, vol. 33, pp. 389-403. https://doi.org/10.1007/s11053-023-10297-y

39. Gubaidullin A.A. Skorost' i pogloshchenie lineinykh voln v poristykh sredakh, nasyshchennykh gazom i ego gidratom / A.A. Gubaidullin, O.Yu. Boldyreva, D.N. Dudko // Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika. - 2022. - T. 63. - № 4(374). - S. 56-63. https://doi.org/10.15372/PMTF20220406

40. Sekoyan S.S. Vliyanie poristosti i dispersnosti materialov na skorost' rasprostraneniya zvukovykh voln / S.S. Sekoyan [i dr.] // Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika. - 2009. - T. 50. - № 4(296). - S. 121-127.

41. Dai Z. The influence of slip boundary effect on the propagation of shear horizontal guided waves in a fluid-saturated porous medium / Dai Z. [et al.] // Journal of Engineering Mathematics. 2024, vol. 144, no. 15. https://doi.org/10.1007/s10665-023-10318-y

42. Rose J.L. Ultrasonic guided waves in solid media / Joseph L. Rose // Cambridge; New York: Cambridge University Press. 2014, 530 p.

43. Drachev K.A. Izmerenie skorosti zvuka i koeffitsienta zatukhaniya v kompozitsionnykh materialakh na osnove polimernykh svyazuyushchikh s raz-lichnoi stepen'yu armirovaniya / K.A. Drachev, V.I. Rimlyand, T.V. Syasina // Vestnik Tikhookeanskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2020. - № 4(59). - S. 47-54.

44. Wilkinson S.J. The propagation of ultrasonic waves in carbon-fibre-reinforced plastics / S.J Wilkinson, W.N. Reynolds // Journal of Physics D: Applied Physics. 2002, vol. 7, P. 50. https://doi.org/10.1088/0022-3727/7/1/313

45. Brekhovskikh L.M. Volny v sloistykh sredakh. 2-e izd. dopolnennoe i pererabotannoe. M.: Nauka, 1973. - 340 c.

46. Karavaev D.M. Anizotropiya mekhanicheskikh svoistv kompozitsionnogo materiala na osnove termorasshirennogo grafita / D.M. Karavaev [i dr.] // Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. - 2012. - T. 14. - № 4(5). - C. 1243-1245.