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. Исаев О.Ю. Технология и аппаратурное оформление процесса производства уплотнительных материалов из терморасширенного графита / О.Ю. Исаев, Д.В. Смирнов, В.П. Лепихин [и др.] // Конструкции из композиционных материалов. – 2006. № 4. – С. 76–79.

2. Яковлев А.В. Терморасширенный графит: синтез, свойства и перспективы применения (Обзор) / А.В. Яковлев, А.И. Финаенов, С.Л. Забудьков, Е.В. Яковлева // Журнал прикладной химии. – 2006. – Т. 79. – № 11. – С. 1761–1771.

3. Ханов А.М. Особенности строения и использования терморасширенного графита / А.М. Ханов, Л.Е. Макарова, А.И. Дегтярев [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2012. – Т. 14. № 1. – С. 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. Караваев Д.М. Влияние структурно-морфологических особенностей терморасширенного графита на износостойкость композиционного материала с кремнийорганическим связующим / Д.М. Караваев, А.М. Ханов, Е.В. Матыгуллина, Л.Д. Сиротенко // Известия Самарского научного Центра Российской академии наук. – 2013. – T. 15. – № 4(6). – C. 378–381.

6. Афанасов И.М. Теплопроводность и механические свойства терморасширенного графита / И.М. Афанасов [и др.] // Неорганические материалы. 2009. – Т. 45. – № 5. – С. 540–544.

7. Богдан О.П. Исследование плотности образцов из терморасширенного графита акустическим амплитудно-теневым методом / О.П. Богдан [и др.] // Дефектоскопия. – 2023. – № 8. – С. 21–31. DOI: 10.31857/S0130308223080031

8. Богдан О.П. Экспериментальная оценка возможности обнаружения сквозных дефектов в заготовках из терморасширенного графита акустическим методом / О.П. Богдан [и др.] // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. – 2024. – Т. 27. – № 2. – С. 97– 105.DOI: 10.22213/2413-1172-2024-1-97-105

9. Макалкин Д.И. Измерение локальных модулей упругости конструкционных материалов с использованием лазерных источников ультразвука / Д.И. Макалкин[и др.] // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. – 2022. – Т. 502. – № 1. – С. 63–66. DOI: 10.31857/S2686740022010126

10. Шибаев И.А. Определение динамических модулей упругости образцов горных пород при использовании различных методов лазерной ультразвуковой диагностики / И.А. Шибаев // ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. – № 4-1. – С. 138–147. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_138

11. Murav'eva О. 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. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102635

12. Муравьева О.В. Акустические свойства мартенситно-стареющей стали XM-12 после энергетических воздействий / О.В. Муравьева [и др.] // Frontier Materials & Technologies. – 2024. – № 2. – С. 87– 100. DOI: 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. DOI: 10.1134/s1061830923700365

14. Муравьев В.В. Формирование остаточных напряжений в цилиндрах глубинно-штанговых насосов после технологических операций изготовления / В.В. Муравьев [и др.] // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. – 2024. – Т. 27. – № 2. – С. 87–96. DOI: 10.22213/2413-1172-2024-2-87-96

15. Углов А.Л. О неразрушающем контроле остаточных напряжений в деталях осесимметричной формы из стали 03Н17К10В10МТ / А.Л. Углов [и др.] // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. – 2019. – Т. 22. – № 4. – С. 3–9. DOI: 10.22213/2413-1172-2019-4-3-9

16. Муравьев В.В. Влияние циклически изменяющихся нагрузок на скорости сдвиговых и рэлеевских волн в стальных прутках разной термической обработки / В.В. Муравьев, А.Ю. Будрин, М.А. Синцов // Интеллектуальные системы в производстве. – 2020. – Т. 18. – № 4. – С. 4–10. DOI: 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. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2021.103567

18. Хлыбов А.А. Исследование поврежденности образцов из стали 12Х18Н10Т при малоцикловой усталости методами неразрушающего контроля / А.А. Хлыбов, Ю.Г. Кабалдин, Д.А. Рябов [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2021. – Т. 87. – № 5. – С. 61–67. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-5-61-67

19. Абабков Н.В. Исследование дислокационной структуры, внутренних напряжений и перераспределения атомов углерода в зоне локализованной деформации в конструкционной стали 20 / Н.В. Абабков, В.И. Данилов, А.Н. Смирнов [и др.] // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2024. – Т. 21. – № 1. – С. 112–121. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2024.01.013

20. Бритенков А.К. Исследование методом акустического зондирования физико-механических свойств титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного методом послойного лазерного сплавления / А.К. Бритенков, В.М. Родюшкин, А.В. Иляхинский // Физика и механика материалов. – 2021. – Т. 47. – № 1. – С. 139–158. DOI: 10.18720/MPM.4712021_14

21. Муравьев В.В. Структуроскопия термически обработанных стальных прутков по скорости распространения рэлеевских волн / В.В. Муравьев, А.Ю. Будрин, М.А. Синцов // Интеллектуальные системы в производстве. – 2020. – Т. 18. – № 2. – С. 37–43. DOI: 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. DOI: 10.21122/2220-9506-2022-13-4-263-275

23. Муравьев В.B. Структуроскопия витков пружин после высокотемпературной мехнической обработки на основе измерения скорости рэлеевских волн / В.B. Муравьев, Л.В. Гущина // Приборы и методы измерений. – 2022. – Т. 13. – № 2. – С. 147–154. DOI: 10.21122/2220-9506-2022-13-2-147-154

24. Муравьев В.В. Акустические и электромагнитные свойства заготовок стволов гражданских ружей / В.В. Муравьев и др.] // Интеллектуальные системы в производстве. – 2023. – Т. 21. – № 1. – С. 59–70. DOI: 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. Князьков Н.Н. Акустика пористо-упругих насыщенных жидкостью сред (обзор теории Био) / Н.Н. Князьков, Б.П. Шарфарец // Научное приборостроение. – 2016. – Т. 26. – № 1. – С. 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. DOI: 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. DOI 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. DOI: 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. DOI: 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. DOI: 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. DOI: 10.3103/S1062873821010251

34. Федотовский В.С. Пористая среда как акустический метаматериал с отрицательными инерционными и упругими свойствами / В.С. Федотовский // Акустический журнал. – 2018. – Т. 64. – № 5. – С. 547–553. DOI: 10.1134/S0320791918050027

35. Бобровницкий Ю.И. Акустический метаматериал с необычными волновыми свойствами / Ю.И. Бобровницкий // Акустический журнал. – 2014. – Т. 60. – № 4. – С. 347. DOI: 10.7868/S0320791914040017

36. Ситдикова Л.Ф. Акустические волны в пористых средах, насыщенных водой с пузырьками газа на стенках пор / Л.Ф. Ситдикова // Нефтегазовое дело. – 2020. – Т. 18. – № 5. – С. 36-42. DOI: 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. DOI: 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. DOI: 10.1007/s11053-023-10297-y

39. Губайдуллин А.А. Скорость и поглощение линейных волн в пористых средах, насыщенных газом и его гидратом / А.А. Губайдуллин, О.Ю. Болдырева, Д.Н. Дудко // Прикладная механика и техническая физика. – 2022. – Т. 63. – № 4(374). – С. 56–63. DOI: 10.15372/PMTF20220406

40. Секоян С.С. Влияние пористости и дисперсности материалов на скорость распространения звуковых волн / С.С. Секоян [и др.] // Прикладная механика и техническая физика. – 2009. – Т. 50. – № 4(296). – С. 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. DOI: 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. Драчев К.А. Измерение скорости звука и коэффициента затухания в композиционных материалах на основе полимерных связующих с раз-личной степенью армирования / К.А. Драчев, В.И. Римлянд, Т.В. Сясина // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – 2020. – № 4(59). – С. 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. DOI: 10.1088/0022-3727/7/1/313

45. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. 2-е изд. дополненное и переработанное. М.: Наука, 1973. – 340 c.

46. Караваев Д.М. Анизотропия механических свойств композиционного материала на основе терморасширенного графита / Д.М. Караваев [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – T. 14. – № 4(5). – C. 1243–1245.