Помощь студентам в учебе
МЕТОДЫ АКУСТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ЭВОЛЮЦИИ МИКРОСТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
|
Введение 6
Глава 1. Развитие акустической микроскопии как метода объемной характеризации материалов 18
1.1 История развития ультразвуковых методов исследования 18
1.2 Фокусированные системы с применением фазированных решеток 22
1.3 Оптико-акустические системы визуализации 24
1.4 Импульсная акустическая микроскопия 28
1.5 Выводы 36
Глава 2. Измерение упругих характеристик материалов с применением фокусированных ультразвуковых пучков 40
2.1 Анализ свойств изотропных материалов 41
2.2 Анизотропия упругих характеристик армированных углепластиков 49
2.3 Локальная анизотропия в многофазных системах 55
2.4 Особенности оценки упругих характеристик объектов биомедицинского
назначения 60
2.4.1 Упругая характеризация искусственных матриксов 62
2.4.2 Упругие свойства биологических тканей 65
2.5 Метод акустического трансформера для локальных упругих измерений 70
2.6 Выводы 78
Глава 3. Аналитическое представление взаимодействия фокусированного ультразвукового пучка с элементами объемной микроструктуры 82
3.1 Вклад геометрии пучка на формирование изображений элементов структуры в
объеме материалов 83
3.2 Эффективность приема обратно-рассеянных сигналов от точечных рассеивателей..91
3.3 Прием ультразвуковых сигналов при взаимодействии пучка с цилиндрическими
рассеивателями 96
3.3.1 Взаимодействие с идеальным отражателем в фокальной плоскости 97
3.3.2 Взаимодействие с цилиндрическим рассеивателем в фокальной плоскости 102
3.3 Экспериментальный анализ рассеяния на цилиндрических элементах 107
3.4 Выводы 112
Глава 4. Ультразвуковая визуализация объемной микроструктуры в материалах с малоразмерными элементами 115
4.1 Отображение кластерной микроструктуры в объеме нанокомпозитов 115
4.2 Механизмы формирования акустического изображения и принципы его
интерпретации в углеродных нанокомпозитах 121
4.3 Механизмы акустического контраста при визуализации керамических
материалов 125
4.3.1 Визуализация акустически твердых элементов (фазовое распределение) в объеме
керамики 126
4.3.2 Визуализация акустически мягких элементов (пор и пустот) в объеме
керамики 130
4.4 Механизмы акустического контраста в объеме полимеров 133
4.4.1 Аморфная и кристаллическая структуры полимеров, фазовое распределение в
сополимерах 135
4.4.2 Особенности ультразвукового отображения внутренней микроструктуры
высоконаполненных композитов 139
4.5 Выводы 141
Глава 5. Ультразвуковые подходы для изучения полимеров биомедицинского назначения 144
5.1 Ультразвуковая визуализация in vitro объемной микроструктуры при гидролизе
полимеров 145
5.1.1 Чувствительность ультразвука к росту неоднородностей в объеме полимеров . 146
5.1.2 Изменение кристалличности при гидролизе полимера и ее влияние на структуру
и упругие свойства 150
5.1.3 Структура и свойства высоконаполненных композитов при длительной
деградации 153
5.2 Ультразвуковой мониторинг in vivo структуры полимерных имплантатов в мелких
лабораторных животных 160
5.2.1 Экспериментальная установка для исследований in vivo 162
5.2.2 Сопоставление экспериментальных результатов ультразвуковых исследований in vitro и in vivo 164
5.3 Выводы 170
Глава 6. Акустическая микроскопия биологических тканей и внеклеточных матриксов . 172
6.1 Особенности ультразвуковой визуализации высокого разрешения биологических объектов 172
6.1.1 Контрастная ультразвуковая визуализация с динамическим перемещением
фокуса по глубине 174
6.1.2 Взаимодействие фокусированного пучка с мышечными тканями и их
внеклеточным матриксом 179
6.1.3 Ультразвуковая характеризация высокопористых биологических тканей 182
6.1.4 Теневые методики анализа и визуализации микроанатомического старения
биологических тканей 184
6.2 Акустическая микроскопия искусственных нетканых матриксов 186
6.3 Методы ультразвуковой визуализации процессов механического разрушения
нетканых матриксов 189
6.3.1 Экспериментальная установка для ультразвуковой визуализации процессов
микромеханического поведения нетканых матриксов 190
6.3.2 Ультразвуковой анализ трансформации микроструктуры с жесткой и эластичной
сеткой из волокон 192
6.3.3 Микромеханика гиперэластичных нетканых матриксов 196
6.4 Выводы 202
Глава 7. Ультразвуковая визуализация многослойных армированных углепластиков 205
7.1 Введение 205
7.2 Взаимодействие ультразвука с простыми структурными элементами в объеме
углепластиков 208
7.3 Трансформация микроструктуры углепластиков под действием внешних
нагрузок 213
7.3.1 Отображение ударных повреждений в объеме композитов 213
7.3.2 Повреждения углепластиков при одноосных нагружениях 219
7.3.3 Визуализация повреждений в объеме композитов при изгибе 222
7.4 In situ ультразвуковая визуализация процессов микромеханического разрушения
углепластиков при растяжении 231
7.5 Выводы 241
Заключение 245
Благодарности 250
Список литературы 251
Публикации автора 278
Приложение А. Акт внедрения РНИМУ им Н.И. Пирогова 285
Приложение Б. Акт внедрения ИБХФ РАН 286
Глава 1. Развитие акустической микроскопии как метода объемной характеризации материалов 18
1.1 История развития ультразвуковых методов исследования 18
1.2 Фокусированные системы с применением фазированных решеток 22
1.3 Оптико-акустические системы визуализации 24
1.4 Импульсная акустическая микроскопия 28
1.5 Выводы 36
Глава 2. Измерение упругих характеристик материалов с применением фокусированных ультразвуковых пучков 40
2.1 Анализ свойств изотропных материалов 41
2.2 Анизотропия упругих характеристик армированных углепластиков 49
2.3 Локальная анизотропия в многофазных системах 55
2.4 Особенности оценки упругих характеристик объектов биомедицинского
назначения 60
2.4.1 Упругая характеризация искусственных матриксов 62
2.4.2 Упругие свойства биологических тканей 65
2.5 Метод акустического трансформера для локальных упругих измерений 70
2.6 Выводы 78
Глава 3. Аналитическое представление взаимодействия фокусированного ультразвукового пучка с элементами объемной микроструктуры 82
3.1 Вклад геометрии пучка на формирование изображений элементов структуры в
объеме материалов 83
3.2 Эффективность приема обратно-рассеянных сигналов от точечных рассеивателей..91
3.3 Прием ультразвуковых сигналов при взаимодействии пучка с цилиндрическими
рассеивателями 96
3.3.1 Взаимодействие с идеальным отражателем в фокальной плоскости 97
3.3.2 Взаимодействие с цилиндрическим рассеивателем в фокальной плоскости 102
3.3 Экспериментальный анализ рассеяния на цилиндрических элементах 107
3.4 Выводы 112
Глава 4. Ультразвуковая визуализация объемной микроструктуры в материалах с малоразмерными элементами 115
4.1 Отображение кластерной микроструктуры в объеме нанокомпозитов 115
4.2 Механизмы формирования акустического изображения и принципы его
интерпретации в углеродных нанокомпозитах 121
4.3 Механизмы акустического контраста при визуализации керамических
материалов 125
4.3.1 Визуализация акустически твердых элементов (фазовое распределение) в объеме
керамики 126
4.3.2 Визуализация акустически мягких элементов (пор и пустот) в объеме
керамики 130
4.4 Механизмы акустического контраста в объеме полимеров 133
4.4.1 Аморфная и кристаллическая структуры полимеров, фазовое распределение в
сополимерах 135
4.4.2 Особенности ультразвукового отображения внутренней микроструктуры
высоконаполненных композитов 139
4.5 Выводы 141
Глава 5. Ультразвуковые подходы для изучения полимеров биомедицинского назначения 144
5.1 Ультразвуковая визуализация in vitro объемной микроструктуры при гидролизе
полимеров 145
5.1.1 Чувствительность ультразвука к росту неоднородностей в объеме полимеров . 146
5.1.2 Изменение кристалличности при гидролизе полимера и ее влияние на структуру
и упругие свойства 150
5.1.3 Структура и свойства высоконаполненных композитов при длительной
деградации 153
5.2 Ультразвуковой мониторинг in vivo структуры полимерных имплантатов в мелких
лабораторных животных 160
5.2.1 Экспериментальная установка для исследований in vivo 162
5.2.2 Сопоставление экспериментальных результатов ультразвуковых исследований in vitro и in vivo 164
5.3 Выводы 170
Глава 6. Акустическая микроскопия биологических тканей и внеклеточных матриксов . 172
6.1 Особенности ультразвуковой визуализации высокого разрешения биологических объектов 172
6.1.1 Контрастная ультразвуковая визуализация с динамическим перемещением
фокуса по глубине 174
6.1.2 Взаимодействие фокусированного пучка с мышечными тканями и их
внеклеточным матриксом 179
6.1.3 Ультразвуковая характеризация высокопористых биологических тканей 182
6.1.4 Теневые методики анализа и визуализации микроанатомического старения
биологических тканей 184
6.2 Акустическая микроскопия искусственных нетканых матриксов 186
6.3 Методы ультразвуковой визуализации процессов механического разрушения
нетканых матриксов 189
6.3.1 Экспериментальная установка для ультразвуковой визуализации процессов
микромеханического поведения нетканых матриксов 190
6.3.2 Ультразвуковой анализ трансформации микроструктуры с жесткой и эластичной
сеткой из волокон 192
6.3.3 Микромеханика гиперэластичных нетканых матриксов 196
6.4 Выводы 202
Глава 7. Ультразвуковая визуализация многослойных армированных углепластиков 205
7.1 Введение 205
7.2 Взаимодействие ультразвука с простыми структурными элементами в объеме
углепластиков 208
7.3 Трансформация микроструктуры углепластиков под действием внешних
нагрузок 213
7.3.1 Отображение ударных повреждений в объеме композитов 213
7.3.2 Повреждения углепластиков при одноосных нагружениях 219
7.3.3 Визуализация повреждений в объеме композитов при изгибе 222
7.4 In situ ультразвуковая визуализация процессов микромеханического разрушения
углепластиков при растяжении 231
7.5 Выводы 241
Заключение 245
Благодарности 250
Список литературы 251
Публикации автора 278
Приложение А. Акт внедрения РНИМУ им Н.И. Пирогова 285
Приложение Б. Акт внедрения ИБХФ РАН 286
Актуальность темы исследования
В настоящее время ультразвуковые методы в различных исполнениях, зависящих от рабочей частоты, мощности излучения и фронта распространения, находят множество практических применений. Ультразвук в диапазоне свыше нескольких десятков мегагерц привлекателен в материаловедении, на таких частотах становится возможным изучение как структурных особенностей материалов, так и их физико-механических и вязкоупругих свойств. Распространение ультразвуковых волн по объему материала, взаимодействие с элементами внутренней структуры, отражение, рассеяние, затухание волн — все эти количественные данные используются для характеризации свойств исследуемого объекта. Качественная ультразвуковая оценка материала проводится путем восстановления изображений внутренней структуры. Одновременный анализ микроструктуры и свойств материала возможен посредством методов, основанных на применении фокусированных ультразвуковых пучков с импульсным возбуждением зондирующих сигналов. Одним из таких методов является импульсная акустическая микроскопия.
Акустическая микроскопия является одним из современных методов неразрушающей визуализации высокого разрешения. Визуализация внутренней микроструктуры достигается применением высокочастотных (от десятков МГц до нескольких ГГ ц) ультразвуковых длиннофокусных пучков с импульсным сигналом малой ширины. Параметры отраженного или рассеянного излучения определяются из взаимодействия зондирующего ультразвука с объектом в фокальной зоне и в конечном счете микроструктурой и вязкоупругими свойствами объекта внутри этой узкой области. За счет фокусировки ультразвуковых волн акустический микроскоп позволяет получить пространственное разрешение, приближающееся к дифракционному пределу.
Одним из функциональных практических применений ультразвуковых методов исследования является визуализация объемной микроструктуры широкого спектра материалов. За счет пучков малой энергии фокусированный ультразвук не вносит изменения во внутреннее строение исследуемого объекта, что особенно важно и актуально при изучении материалов и объектов биологического и медицинского назначения. В акустической микроскопии длиннофокусные пучки в частотном диапазоне 50-200 МГц и прецизионная система механического сканирования обеспечивают визуализацию элементов микроструктуры в объеме биологических тканей с разрешением в несколько десятков микрометров. В этом случае взаимодействие фокусированных пучков высокой частоты происходит с малоразмерными точечными и с протяженными одномерными и двумерными элементами микроструктуры исследуемого объекта. При последовательном смещении положения фокуса акустической линзы по толщине объекта в одной вертикальной плоскости сканирования можно добиться того, чтобы все малоразмерные элементы оставались в фокусе. Минимальные различия в значениях скоростей звука в водной иммерсии и биологических тканях практически не изменяют геометрию сходящегося пучка, что позволяет перемещать фокус с минимальными искажениями.
Ультразвуковая визуализация высокого разрешения не ограничивается медикобиологическим применением; востребованным остается анализ внутреннего строения сложноорганизованных 2-, 3-фазных композитных материалов, от керамик и полимерных нанокомпозитов до армированных углепластиков. Подобные сложноорганизованные материалы составляют большую часть современных конструкционных материалов, для которых важно оценивать однородность распределения фазы-наполнителя и его размеров, отсутствие/присутствие пор и пустот, влияние структурных неоднородностей на физико-механические свойства. Присутствие множественных межфазных границ в объеме композитов приводит к сложному взаимодействию фокусированных пучков с отдельными элементами структуры. Отражение и рассеивание зондирующего ультразвукового пучка в объеме композитов происходит на разномасштабных структурных элементах от микрометрового, а иногда и субмикрометрового размера до протяженных границ раздела. Визуализация малоразмерных элементов осуществляется за счет приема обратно-рассеянного излучения, приходящего из объема материала, амплитуда которого зависит от типа малоразмерного рассеивателя. В свою очередь, отражение от внутренних границ раздела зависит от разницы акустических импедансов и качества сплошности границы.
Несмотря на явные различия в перечисленных объектах исследования, аналитическое описание взаимодействия фокусированных ультразвуковых пучков с элементами объемной микроструктуры может быть представлено как отражение/рассеяние ультразвука на трех простых разномасштабных структурных элементах: рассеяние на точечных, сферических (ноль-мерных) элементах объемной микроструктуры, размер которых меньше длины волны зондирующего излучения; рассеяние на протяженных линейных элементах по типу цилиндров с малым диаметром; отражение на протяженных двумерных плоскостях и внутренних гра-ницах раздела. Совокупность представлений о взаимодействии фокусированных ультразвуковых пучков с простыми элементами внутренней структуры определяет правильную и качественную интерпретацию ультразвуковых изображений любого из материалов.
Одним из актуальных направлений современной науки о материалах является изучение необратимых процессов трансформации внутренней микроструктуры под действием внешних механических, химических и физических факторов. Получение новых данных о механизмах зарождения, развития, роста микроструктурных неоднородностей в объеме материалов оказывается возможным только при прямой визуализации микроструктуры с высоким пространственным разрешением. Такая визуализация обеспечивается, в том числе, применением акустической микроскопии. В такие задачи, в частности, входит изучение микромеханики композитных материалов под действием статических и усталостных нагрузок с визуализацией процессов деформирования и разрушения в динамике. Трансформация и эволюция микроструктуры в объеме материалов напрямую влияет на его текущие свойства и несущую прочностную способность. Другая задача - исследование и визуализация процессов деформирования материалов биомедицинского назначения, где важно понимание процессов эволюции микроструктуры в объеме материалов под действием механических нагрузок в водной среде. Помимо механических нагрузок на биологические материалы существенное влияние на структуру и свойства оказывает водная среда, под действием которой происходит резорбция (деградация) биомедицинских полимерных материалов. Важным и решающим аспектом при ультразвуковых исследованиях оказывается возможность изучения упругих свойств материала и визуализации процессов трансформации микроструктуры в динамике на протяжении длительного периода на одном и том же образце.
Таким образом, развитие ультразвуковых подходов для исследования структуры и упругих свойств материалов со сложной пространственной микроструктурой основано на совместном решении комплекса задач, включающего как создание новых экспериментальных установок и разработку методик, так и аналитическое описание взаимодействия фокусированного пучка с объектом.
Степень разработанности темы исследования
Акустическую микроскопию в современном понимании можно разделить на два направления: изучение поверхности и субповерхностных областей материалов и объемная визуализация объектов. Особенности каждого из направлений связаны с рабочей частотой, геометрией фокуса и длительностью зондирующего импульса. Импульсный вариант акустической микроскопии возник в 80-ые годы как высокочастотная версия стандартных методов ультразвукового неразрушающего контроля и ультразвуковой диагностики. Такие системы не потеряли актуальности, и сегодня применяются для визуализации внутренней структуры изделий в электронной промышленности, как средство контроля целостности корпусов микросхем и дефектов разводки (Sonix, Sonoscan, Kramer Scientific Instruments).
С развитием техники импульсной акустической микроскопии на частотах от 50 МГц до 200 МГц стала доступна визуализация объемной микроструктуры с латеральным разрешением до 20 микрометров и измерение локальных объемных упругих свойств с тем же пространственным разрешением. Малая длительность зондирующего импульса (от 20нс до 40 нс) обеспечивает разрешение по глубине. Наряду с рентгеновской микротомографией сегодня импульсная акустическая микроскопия является одним из основных методов наблюдения объемной микроструктуры и выявления микроструктурных неоднородностей в объеме материалов.
Ультразвуковыми методами продолжается выполнение ряда актуальных исследований различными группами из Германии, Японии, США, Канады, России, Китая, Бельгии, Южной Кореи. В медико-биологической области акустомикроскопические методы используются для клеточных исследований in vitro при выявлении изменений упругих свойств клеток вследствие физиологических процессов (K. Miura, P.V. Zinin, K. Maslov, M.C. Kolios, P. Anastasiadis), для изучения мелких лабораторных животных и наблюдения их микроанатомических изменений (M. Vogt, H. Ermert, S. Li, A. Honaramooz,
L. Niklason, J. Yoo), выявления патологий в мягких тканях (B. Derby, H. Yu, B. Garipcan,
M. B. Unlu), для изучения материалов и объектов тканевой инженерии и регенеративной медицины (Y. Tanaka, Y. Saijo, K. Gelse, N. Jong, R.C. Gessner, P.A. Dayton, R.J. Nagao, M.C. Kolios, K.P. Mercado). Развиваются методы ультразвуковой медицинской томографии (J. Wiskin), не уступающей по разрешающей способности и информативности альтернативным методам медицинской томографии.
Акустическая микроскопия используется в материаловедении для исследования физико-механических свойств материалов, включая керамику, композиты и полимеры (T. Kundu, F. Naumann, K. Yamamoto, И.И. Перепечко), а также различных границ раздела и покрытий (P.B. Nagy, A. Oosterkamp, J. Andersson, M.A. Caminero). В последние годы импульсная акустическая микроскопия оказалась незаменимой для неразрушающего обнаружения несплошностей и неоднородностей в различных материалах, и активно применяется для изучения процессов трансформации объемной микроструктуры материалов под действием физических, химических и механических факторов.
Цели и задачи диссертационной работы
Цель работы заключается в разработке теоретических и экспериментальных основ ультразвуковой визуализации процессов эволюции микроструктуры и изменения упругих свойств материалов под действием внешних факторов.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
1. Развитие методов расчета локальных упругих характеристик и картирования их
распределения в материалах со сложной пространственной микроструктурой с применением фокусированных ультразвуковых пучков.
2. Аналитическое описание методики для локальных измерений упругих характеристик с
применением полусферического твердотельного элемента («трансформера»), расположенного на поверхности образца и преобразующего сходящийся ультразвуковой пучок в тонкий направленный пучок продольных или поперечных волн.
3. Развитие аналитических представлений взаимодействия фокусированного
ультразвукового пучка с элементами микроструктуры в объеме материала для количественной оценки размеров сферических и цилиндрических рассеивателей, отображаемых на ультразвуковых изображениях.
4. Изучение влияния акустических импедансов элементов внутренней микроструктуры
материалов на формирование ультразвуковых изображений и их интерпретацию.
5. Разработка методов и подходов in vitro и in vivo ультразвуковых исследований
процессов деградации объемной микроструктуры полимеров и композитов
биомедицинского назначения.
6. Разработка in situ ультразвуковых методов высокого разрешения для изучения и
визуализации процессов необратимых разрушений в объеме материалов с тонкой волокнистой структурой, в том числе армированных углепластиков и нетканых полимерных материалов, под действием механических нагрузок.
Научная новизна результатов и выводов
1. С применением развитых ультразвуковых методик впервые были получены
фундаментальные данные о процессах перестройки объемной микроструктуры полимерных материалов и деградации их свойств в течение гидротермального старения, и их связь с изменением надмолекулярной структуры полимеров.
2. Разработан подход к ультразвуковым исследованиям процессов резорбции полимерных
имплантатов in vivo в динамике. Впервые были описаны изменения локальных упругих характеристик имплантируемых образцов и сопоставлены с трансформацией объемной микроструктуры полимеров.
3. Развита методика формирования контрастных акустических изображений вертикальных сечений нативных и децеллюляризированных тканей, а также искусственных материалов для тканевой инженерии, основанная на динамическом изменении положения фокуса акустической линзы по толщине объекта. Пошаговое механическое перемещение фокальной области ультразвукового пучка вглубь образца и одновременное линейное движение линзы вдоль поверхности объекта обеспечивает формирование контрастных изображений в вертикальной секущей плоскости объекта с разрешением 20 мкм.
4. Разработаны методики ультразвуковой визуализации высокого разрешения элементов
внутренней микроструктуры композитов, армированных углеродными волокнами. Впервые были визуализированы и описаны механизмы разрушения микроструктуры в объеме углепластиков при ударных и изгибных нагрузках.
5. Разработаны экспериментальные методы in situ ультразвуковых исследований
процессов развития структурных нарушений в материалах под действием механической нагрузки. Впервые получены данные о процессах структурной перестройки, происходящих в объеме нетканых матриксов при растяжении в условиях, имитирующих физиологические процессы.
6. Впервые с применением развитого in situ ультразвукового метода исследований получены экспериментальные данные о фундаментальных процессах микромеханического разрушения углепластиков при растяжении.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Разработаны методы аналитической оценки радиусов малоразмерных сферических и
цилиндрических рассеивателей, отображаемых на акустических изображениях. Количественная оценка основана на сопоставлении амплитуды выходных сигналов рассеивателей и чувствительности акустической системы, что позволяет интерпретировать ультразвуковые изображения, полученные сверх дифракционного предела.
2. Предложена методика расчета латерального разрешения ультразвукового пучка в
объеме материала, учитывающая рефракционные аберрации на границе иммерсии и образца.
3. Измерения скоростей продольных и поперечных волн в материале с применением
полусферического элемента, расположенного на поверхности образца, проводятся с точностью 1%, что выше точности измерения с использованием исходного сходящегося ультразвукового пучка, составляющей от 3% до 5%. Методика актуальна для исследования материалов с сильным затуханием поперечных волн, либо в материалах с высокими значениями скоростей, усиливающих рефракционные аберрации на границе иммерсии и образца без использования полусферы.
4. Развитые ультразвуковые методики исследования полимеров позволяют получать
данные о фундаментальных процессах перестройки объемной микроструктуры полимерных материалов и деградации их свойств в течение гидролиза in vitro и сопоставлять их с изменениями надмолекулярной структуры полимеров.
5. Новый подход ультразвукового мониторинга высокого разрешения деградации
полимеров in vivo позволяет выявлять особенности деградации полимерных материалов в условиях живого организма. На основе исследований проводится оценка влияния факторов среды на скорость изменения упругих характеристик и эволюцию объемной микроструктуры имплантированных материалов.
6. Методики ультразвуковой визуализации с построением контрастных акустических
изображений обеспечивают наблюдение элементов микроструктуры размерами 15 мкм в объеме биологических объектов на глубину до 5 мм, за счет коротких по длительности зондирующих сигналов (20 нс и 40 нс на частотах 100 МГц и 50 МГц). Зондирующий ультразвуковой пучок на частоте 200 МГц за счет высокого естественного контраста на тонких волокнах (диаметром от 3 до 6 мкм) обеспечивает визуализацию объемной микроструктуры нетканых материалов.
7. Результаты для армированных углепластиков, получаемые с применением экс
периментальной установки для in situ ультразвуковой визуализации процессов разрушения материалов в реальном масштабе времени, применяются для подтверждения численных моделей при описании процессов микромеханического разрушения углепластиков и прогнозирования остаточного ресурса изделий при эксплуатации.
8. Результаты экспериментальных исследований и аппаратные разработки, описанные в
диссертации, используются в учебном процессе магистров, обучающихся в передовой инженерной школе РНИМУ им. Н.И. Пирогова (Приложение 1), а также аспирантов первого и второго года, обучающихся в ИБХФ РАН (Приложение 2).
...
В настоящее время ультразвуковые методы в различных исполнениях, зависящих от рабочей частоты, мощности излучения и фронта распространения, находят множество практических применений. Ультразвук в диапазоне свыше нескольких десятков мегагерц привлекателен в материаловедении, на таких частотах становится возможным изучение как структурных особенностей материалов, так и их физико-механических и вязкоупругих свойств. Распространение ультразвуковых волн по объему материала, взаимодействие с элементами внутренней структуры, отражение, рассеяние, затухание волн — все эти количественные данные используются для характеризации свойств исследуемого объекта. Качественная ультразвуковая оценка материала проводится путем восстановления изображений внутренней структуры. Одновременный анализ микроструктуры и свойств материала возможен посредством методов, основанных на применении фокусированных ультразвуковых пучков с импульсным возбуждением зондирующих сигналов. Одним из таких методов является импульсная акустическая микроскопия.
Акустическая микроскопия является одним из современных методов неразрушающей визуализации высокого разрешения. Визуализация внутренней микроструктуры достигается применением высокочастотных (от десятков МГц до нескольких ГГ ц) ультразвуковых длиннофокусных пучков с импульсным сигналом малой ширины. Параметры отраженного или рассеянного излучения определяются из взаимодействия зондирующего ультразвука с объектом в фокальной зоне и в конечном счете микроструктурой и вязкоупругими свойствами объекта внутри этой узкой области. За счет фокусировки ультразвуковых волн акустический микроскоп позволяет получить пространственное разрешение, приближающееся к дифракционному пределу.
Одним из функциональных практических применений ультразвуковых методов исследования является визуализация объемной микроструктуры широкого спектра материалов. За счет пучков малой энергии фокусированный ультразвук не вносит изменения во внутреннее строение исследуемого объекта, что особенно важно и актуально при изучении материалов и объектов биологического и медицинского назначения. В акустической микроскопии длиннофокусные пучки в частотном диапазоне 50-200 МГц и прецизионная система механического сканирования обеспечивают визуализацию элементов микроструктуры в объеме биологических тканей с разрешением в несколько десятков микрометров. В этом случае взаимодействие фокусированных пучков высокой частоты происходит с малоразмерными точечными и с протяженными одномерными и двумерными элементами микроструктуры исследуемого объекта. При последовательном смещении положения фокуса акустической линзы по толщине объекта в одной вертикальной плоскости сканирования можно добиться того, чтобы все малоразмерные элементы оставались в фокусе. Минимальные различия в значениях скоростей звука в водной иммерсии и биологических тканях практически не изменяют геометрию сходящегося пучка, что позволяет перемещать фокус с минимальными искажениями.
Ультразвуковая визуализация высокого разрешения не ограничивается медикобиологическим применением; востребованным остается анализ внутреннего строения сложноорганизованных 2-, 3-фазных композитных материалов, от керамик и полимерных нанокомпозитов до армированных углепластиков. Подобные сложноорганизованные материалы составляют большую часть современных конструкционных материалов, для которых важно оценивать однородность распределения фазы-наполнителя и его размеров, отсутствие/присутствие пор и пустот, влияние структурных неоднородностей на физико-механические свойства. Присутствие множественных межфазных границ в объеме композитов приводит к сложному взаимодействию фокусированных пучков с отдельными элементами структуры. Отражение и рассеивание зондирующего ультразвукового пучка в объеме композитов происходит на разномасштабных структурных элементах от микрометрового, а иногда и субмикрометрового размера до протяженных границ раздела. Визуализация малоразмерных элементов осуществляется за счет приема обратно-рассеянного излучения, приходящего из объема материала, амплитуда которого зависит от типа малоразмерного рассеивателя. В свою очередь, отражение от внутренних границ раздела зависит от разницы акустических импедансов и качества сплошности границы.
Несмотря на явные различия в перечисленных объектах исследования, аналитическое описание взаимодействия фокусированных ультразвуковых пучков с элементами объемной микроструктуры может быть представлено как отражение/рассеяние ультразвука на трех простых разномасштабных структурных элементах: рассеяние на точечных, сферических (ноль-мерных) элементах объемной микроструктуры, размер которых меньше длины волны зондирующего излучения; рассеяние на протяженных линейных элементах по типу цилиндров с малым диаметром; отражение на протяженных двумерных плоскостях и внутренних гра-ницах раздела. Совокупность представлений о взаимодействии фокусированных ультразвуковых пучков с простыми элементами внутренней структуры определяет правильную и качественную интерпретацию ультразвуковых изображений любого из материалов.
Одним из актуальных направлений современной науки о материалах является изучение необратимых процессов трансформации внутренней микроструктуры под действием внешних механических, химических и физических факторов. Получение новых данных о механизмах зарождения, развития, роста микроструктурных неоднородностей в объеме материалов оказывается возможным только при прямой визуализации микроструктуры с высоким пространственным разрешением. Такая визуализация обеспечивается, в том числе, применением акустической микроскопии. В такие задачи, в частности, входит изучение микромеханики композитных материалов под действием статических и усталостных нагрузок с визуализацией процессов деформирования и разрушения в динамике. Трансформация и эволюция микроструктуры в объеме материалов напрямую влияет на его текущие свойства и несущую прочностную способность. Другая задача - исследование и визуализация процессов деформирования материалов биомедицинского назначения, где важно понимание процессов эволюции микроструктуры в объеме материалов под действием механических нагрузок в водной среде. Помимо механических нагрузок на биологические материалы существенное влияние на структуру и свойства оказывает водная среда, под действием которой происходит резорбция (деградация) биомедицинских полимерных материалов. Важным и решающим аспектом при ультразвуковых исследованиях оказывается возможность изучения упругих свойств материала и визуализации процессов трансформации микроструктуры в динамике на протяжении длительного периода на одном и том же образце.
Таким образом, развитие ультразвуковых подходов для исследования структуры и упругих свойств материалов со сложной пространственной микроструктурой основано на совместном решении комплекса задач, включающего как создание новых экспериментальных установок и разработку методик, так и аналитическое описание взаимодействия фокусированного пучка с объектом.
Степень разработанности темы исследования
Акустическую микроскопию в современном понимании можно разделить на два направления: изучение поверхности и субповерхностных областей материалов и объемная визуализация объектов. Особенности каждого из направлений связаны с рабочей частотой, геометрией фокуса и длительностью зондирующего импульса. Импульсный вариант акустической микроскопии возник в 80-ые годы как высокочастотная версия стандартных методов ультразвукового неразрушающего контроля и ультразвуковой диагностики. Такие системы не потеряли актуальности, и сегодня применяются для визуализации внутренней структуры изделий в электронной промышленности, как средство контроля целостности корпусов микросхем и дефектов разводки (Sonix, Sonoscan, Kramer Scientific Instruments).
С развитием техники импульсной акустической микроскопии на частотах от 50 МГц до 200 МГц стала доступна визуализация объемной микроструктуры с латеральным разрешением до 20 микрометров и измерение локальных объемных упругих свойств с тем же пространственным разрешением. Малая длительность зондирующего импульса (от 20нс до 40 нс) обеспечивает разрешение по глубине. Наряду с рентгеновской микротомографией сегодня импульсная акустическая микроскопия является одним из основных методов наблюдения объемной микроструктуры и выявления микроструктурных неоднородностей в объеме материалов.
Ультразвуковыми методами продолжается выполнение ряда актуальных исследований различными группами из Германии, Японии, США, Канады, России, Китая, Бельгии, Южной Кореи. В медико-биологической области акустомикроскопические методы используются для клеточных исследований in vitro при выявлении изменений упругих свойств клеток вследствие физиологических процессов (K. Miura, P.V. Zinin, K. Maslov, M.C. Kolios, P. Anastasiadis), для изучения мелких лабораторных животных и наблюдения их микроанатомических изменений (M. Vogt, H. Ermert, S. Li, A. Honaramooz,
L. Niklason, J. Yoo), выявления патологий в мягких тканях (B. Derby, H. Yu, B. Garipcan,
M. B. Unlu), для изучения материалов и объектов тканевой инженерии и регенеративной медицины (Y. Tanaka, Y. Saijo, K. Gelse, N. Jong, R.C. Gessner, P.A. Dayton, R.J. Nagao, M.C. Kolios, K.P. Mercado). Развиваются методы ультразвуковой медицинской томографии (J. Wiskin), не уступающей по разрешающей способности и информативности альтернативным методам медицинской томографии.
Акустическая микроскопия используется в материаловедении для исследования физико-механических свойств материалов, включая керамику, композиты и полимеры (T. Kundu, F. Naumann, K. Yamamoto, И.И. Перепечко), а также различных границ раздела и покрытий (P.B. Nagy, A. Oosterkamp, J. Andersson, M.A. Caminero). В последние годы импульсная акустическая микроскопия оказалась незаменимой для неразрушающего обнаружения несплошностей и неоднородностей в различных материалах, и активно применяется для изучения процессов трансформации объемной микроструктуры материалов под действием физических, химических и механических факторов.
Цели и задачи диссертационной работы
Цель работы заключается в разработке теоретических и экспериментальных основ ультразвуковой визуализации процессов эволюции микроструктуры и изменения упругих свойств материалов под действием внешних факторов.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
1. Развитие методов расчета локальных упругих характеристик и картирования их
распределения в материалах со сложной пространственной микроструктурой с применением фокусированных ультразвуковых пучков.
2. Аналитическое описание методики для локальных измерений упругих характеристик с
применением полусферического твердотельного элемента («трансформера»), расположенного на поверхности образца и преобразующего сходящийся ультразвуковой пучок в тонкий направленный пучок продольных или поперечных волн.
3. Развитие аналитических представлений взаимодействия фокусированного
ультразвукового пучка с элементами микроструктуры в объеме материала для количественной оценки размеров сферических и цилиндрических рассеивателей, отображаемых на ультразвуковых изображениях.
4. Изучение влияния акустических импедансов элементов внутренней микроструктуры
материалов на формирование ультразвуковых изображений и их интерпретацию.
5. Разработка методов и подходов in vitro и in vivo ультразвуковых исследований
процессов деградации объемной микроструктуры полимеров и композитов
биомедицинского назначения.
6. Разработка in situ ультразвуковых методов высокого разрешения для изучения и
визуализации процессов необратимых разрушений в объеме материалов с тонкой волокнистой структурой, в том числе армированных углепластиков и нетканых полимерных материалов, под действием механических нагрузок.
Научная новизна результатов и выводов
1. С применением развитых ультразвуковых методик впервые были получены
фундаментальные данные о процессах перестройки объемной микроструктуры полимерных материалов и деградации их свойств в течение гидротермального старения, и их связь с изменением надмолекулярной структуры полимеров.
2. Разработан подход к ультразвуковым исследованиям процессов резорбции полимерных
имплантатов in vivo в динамике. Впервые были описаны изменения локальных упругих характеристик имплантируемых образцов и сопоставлены с трансформацией объемной микроструктуры полимеров.
3. Развита методика формирования контрастных акустических изображений вертикальных сечений нативных и децеллюляризированных тканей, а также искусственных материалов для тканевой инженерии, основанная на динамическом изменении положения фокуса акустической линзы по толщине объекта. Пошаговое механическое перемещение фокальной области ультразвукового пучка вглубь образца и одновременное линейное движение линзы вдоль поверхности объекта обеспечивает формирование контрастных изображений в вертикальной секущей плоскости объекта с разрешением 20 мкм.
4. Разработаны методики ультразвуковой визуализации высокого разрешения элементов
внутренней микроструктуры композитов, армированных углеродными волокнами. Впервые были визуализированы и описаны механизмы разрушения микроструктуры в объеме углепластиков при ударных и изгибных нагрузках.
5. Разработаны экспериментальные методы in situ ультразвуковых исследований
процессов развития структурных нарушений в материалах под действием механической нагрузки. Впервые получены данные о процессах структурной перестройки, происходящих в объеме нетканых матриксов при растяжении в условиях, имитирующих физиологические процессы.
6. Впервые с применением развитого in situ ультразвукового метода исследований получены экспериментальные данные о фундаментальных процессах микромеханического разрушения углепластиков при растяжении.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Разработаны методы аналитической оценки радиусов малоразмерных сферических и
цилиндрических рассеивателей, отображаемых на акустических изображениях. Количественная оценка основана на сопоставлении амплитуды выходных сигналов рассеивателей и чувствительности акустической системы, что позволяет интерпретировать ультразвуковые изображения, полученные сверх дифракционного предела.
2. Предложена методика расчета латерального разрешения ультразвукового пучка в
объеме материала, учитывающая рефракционные аберрации на границе иммерсии и образца.
3. Измерения скоростей продольных и поперечных волн в материале с применением
полусферического элемента, расположенного на поверхности образца, проводятся с точностью 1%, что выше точности измерения с использованием исходного сходящегося ультразвукового пучка, составляющей от 3% до 5%. Методика актуальна для исследования материалов с сильным затуханием поперечных волн, либо в материалах с высокими значениями скоростей, усиливающих рефракционные аберрации на границе иммерсии и образца без использования полусферы.
4. Развитые ультразвуковые методики исследования полимеров позволяют получать
данные о фундаментальных процессах перестройки объемной микроструктуры полимерных материалов и деградации их свойств в течение гидролиза in vitro и сопоставлять их с изменениями надмолекулярной структуры полимеров.
5. Новый подход ультразвукового мониторинга высокого разрешения деградации
полимеров in vivo позволяет выявлять особенности деградации полимерных материалов в условиях живого организма. На основе исследований проводится оценка влияния факторов среды на скорость изменения упругих характеристик и эволюцию объемной микроструктуры имплантированных материалов.
6. Методики ультразвуковой визуализации с построением контрастных акустических
изображений обеспечивают наблюдение элементов микроструктуры размерами 15 мкм в объеме биологических объектов на глубину до 5 мм, за счет коротких по длительности зондирующих сигналов (20 нс и 40 нс на частотах 100 МГц и 50 МГц). Зондирующий ультразвуковой пучок на частоте 200 МГц за счет высокого естественного контраста на тонких волокнах (диаметром от 3 до 6 мкм) обеспечивает визуализацию объемной микроструктуры нетканых материалов.
7. Результаты для армированных углепластиков, получаемые с применением экс
периментальной установки для in situ ультразвуковой визуализации процессов разрушения материалов в реальном масштабе времени, применяются для подтверждения численных моделей при описании процессов микромеханического разрушения углепластиков и прогнозирования остаточного ресурса изделий при эксплуатации.
8. Результаты экспериментальных исследований и аппаратные разработки, описанные в
диссертации, используются в учебном процессе магистров, обучающихся в передовой инженерной школе РНИМУ им. Н.И. Пирогова (Приложение 1), а также аспирантов первого и второго года, обучающихся в ИБХФ РАН (Приложение 2).
...
В диссертации проведен комплекс теоретических и экспериментальных работ, на базе которого созданы основы акустической микроскопии процессов эволюции микроструктуры и изменения упругих свойств материалов под действием внешних факторов. Представленный теоретический анализ взаимодействия фокусированного ультразвукового пучка со структурными элементами различного масштаба в объеме материалов, в том числе: точными элементам (поры, фазовые включения),
цилиндрическими элементами (волокна, углеродные нити, трещины), позволяет на основе найденных аналитических выражений проводить количественную оценку размеров элементов, размер которых много меньше длины волны зондирующего ультразвука. Экспериментальное подтверждение теоретических представлений проводилось при исследовании материалов от биологических тканей, полимеров и нанокомпозитов до керамик, углепластиков и сплавов металлов. Сформулированы ограничения разрешающей способности, учитывающие рефракционные аберрации фокусированных ультразвуковых пучков на границе иммерсии и образца при визуализации микроструктуры в объеме материалов. Изложены теоретические основы применения полусферического твердотельного элемента, закрепленного на поверхности образца, для трансформации сводящихся пучков в узкие, направленные пучки продольных и поперечных волн, с помощью которых можно проводить измерения локальных упругих характеристик. Представлены экспериментальные методики ультразвуковой визуализации процессов трансформации микроструктуры биорезорбируемых полимеров и количественной оценки изменений упругих свойств при гидротермальном старении in vitro. Разработанный экспериментальный подход для прижизненного ультразвукового исследования мелких лабораторных животных позволяет исследовать и визуализировать эволюцию микроструктуры и упругих свойств имплантированных полимерных материалов в условиях in vivo. С применением развитых in situ ультразвуковых методик наблюдения за процессами разрушения материалов под действием внешних механических нагрузок проводится визуализация формирования структурных повреждений в динамике. Активное применение методики связано с необходимостью описания фундаментальных процессов перестройки микроструктуры как в объеме армированных композитов, так и в объеме волокнистых материалов биомедицинского применения.
Таким образом, в диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований развито новое научное направление акустической микроскопии в исследовании эволюции микроструктуры и свойств материалов под действием физических, химических и механических факторов. Развитые экспериментальные методики позволяют описывать структуру и вязкоупругие свойства материалов не только в первоначальном состоянии, но и в процессе их изменения под влиянием разных факторов. Перспективы развития импульсной акустической микроскопии заключаются в разработке комплексных междисциплинарных подходов для решения фундаментальных проблем, находящихся на стыке нескольких отраслей науки, а также совершенствование приборной базы и программного обеспечения для решения актуальных прикладных задач.
Основные выводы по работе заключаются в следующем:
1. Разработанные экспериментальные методики и аппаратные средства ультразвуковой визуализации высокого разрешения, основанные на теоретическом анализе взаимодействия фокусированного ультразвукового пучка со структурными элементами различного масштаба в объеме материалов и механизмах акустического контраста, легли в основу нового научного направления акустической микроскопии в исследовании эволюции микроструктуры и свойств материалов под действием физических, химических и механических факторов.
2. Установлены закономерности формирования акустических изображений элементов внутренней микроструктуры, размер которых меньше длины ультразвуковой волны зондирующего пучка. Получены выражения для количественной оценки размеров элементов структуры, основанные на сопоставлении амплитуд выходных сигналов от обратно рассеянного на элементах микроструктуры ультразвука и величины чувствительности принимающей системы. Установлены особенности формирования выходного сигнала при рассеянии на цилиндрических элементах, которые в связаны с углом наклона относительно оси ультразвукового пучка и радиусом цилиндрического элемента. Чувствительность приемной системы акустического микроскопа задается акустическим объективом: рабочей частотой, угловой апертурой пучка и фокальным расстоянием. Величина регистрируемого выходного сигнала пропорциональна множителю, описывающему отношение длины волны к фокусному расстоянию (X/F)1/2.
3. Установлен предел разрешающей способности, учитывающий рефракционные аберрации фокусированных ультразвуковых пучков при визуализации элементов, расположенных в объеме материалов. Выявлено, что ультразвуковые изображения элементов структуры на глубине h в объеме объекта формируются эффективной апертурой зондирующего пучка, задающей выходной сигнал акустической системы и определяющей латеральное разрешение. С увеличением глубины отображаемой плоскости эффективная апертура уменьшается пропорционально 4h , а разрешение снижается. Латеральное разрешение, учитывая рефракционные аберрации, будет пропорционально дробной степени длины волны в материале и глубины визуализируемой У У
границы в объеме образца га ~ • /Г4.
4. Определены условия измерения локальных упругих характеристик образцов с применением полусферического трансформера, преобразующего сходящийся ультразвуковой пучок в тонкий направленный пучок продольных и поперечных волн, проникающий в объем образца, при которых погрешность измерений скоростей звука не превысит 1%. Выявлено, что применение полусферического элемента позволяет снизить вклад рефракционных аберраций на границе иммерсии и образца и стабилизировать форму сигналов, отраженных от передней и задней поверхности образца.
5. Установлено, что сфокусированный ультразвуковой пучок становится чувствителен к вариациям локальных упругих характеристик в том случае, когда размер областей с отличающимися свойствами сопоставим с диаметром фокального пятна от 25 мкм до 90 мкм (для частот от 200 МГц до 50 МГц). Выявлено, что с таким же пространственным разрешением будет осуществляться картирование распределения локальных упругих характеристик сплавов металлов и материалов с градиентными свойствами.
6. Разработанная методика ультразвуковой визуализации высокого разрешения для неинвазивной оценки объемной микроструктуры материалов тканевой инженерии и регенеративной медицины, основанная на формировании контрастных акустических изображений образца в вертикальной плоскости сканирования, получаемых при последовательном смещении положения фокуса акустической линзы по толщине объекта, обеспечивает высокий контраст и разрешение акустических изображений при ультразвуковых исследованиях in vitro и in vivo. Показано, что чувствительность фокусированного ультразвукового пучка к вариациям плотности тканей в объеме биологических объектов и короткие по длительности зондирующие сигналы (от 20 нс до 40 нс) способствуют визуализации элементов микроструктуры с разрешением от 15 мкм на глубину до 5 мм.
7. Разработан и реализован новый ультразвуковой подход для in vivo исследований процессов резорбции (деградации) полимерных имплантатов. Определены методики исследования и интерпретации ультразвуковых данных, получаемые при неинвазивном прижизненном ультразвуковом сканировании мелких лабораторных животных, которым были имплантированы полимерные образцы. Выявлено, что факторы, влияющие на гидролитическую деструкцию полимеров in vitro, и деструкцию в живом организме (in vivo), приводят к разному протеканию процессов резорбции. Обнаружена асинхронность деградации полимера Poly(lactic-co-glycolic acid) в модельной среде и живом организме, выраженная в разной скорости деградации объемной микроструктуры и снижения упругих свойств полимера.
8. Разработана и развита новая методика для ультразвуковой визуализации микроструктуры в объеме материалов под действием механической нагрузки в условиях, имитирующих естественные процессы в живом организме, достигающиеся за счет нагружения и ультразвукового сканирования образца при его полном погружении в водную среду. Показано, что использование акустической линзы на частоте 200 МГц одновременно обеспечивает высокий контраст при рассеянии на тонких полимерных волокнах (3^6 мкм) и достаточную для нетканых материалов глубину визуализации (400 мкм), что превосходит по информативности рентгеновские методы при визуализации нетканых материалов. Выявлены и описаны механизмы микромеханического разрушения нетканых материалов, имитирующих внеклеточный каркас, под действием растягивающих нагрузок.
9. Развиты оригинальные методики для ультразвуковой визуализации высокого
разрешения элементов внутренней микроструктуры композитов, армированных углеродными волокнами, и ее нарушений в результате внешнего воздействия. Механизмы контраста основаны на взаимодействии зондирующего пучка с тремя основными элементами: точечными рассеивателями (поры и пустоты), цилиндрическими
рассеивателями (армирующие волокна, нити и микротрещины) и протяженными границами раздела (межслоевые границы и расслоения). Экспериментально показано, что использование линз с уменьшенной угловой апертурой, для которых рефракционные аберрации снижаются, позволяет увеличить глубину визуализации до 3 мм (100 1) с сохранением информативности акустических изображений.
10. Разработаны авторские методики для in situ ультразвуковых исследований и визуализации динамики развития структурных нарушений в объеме углепластиков под действием одноосных механических нагрузок в реальном масштабе времени. Установлено, что повышение акустического контраста обусловлено сохранением раскрытого состояния трещин и расслоений, образовавшиеся в ходе нагружения углепластика, что увеличивает величину коэффициента отражения и амплитуду обратно рассеянного сигнала. Показана эффективность методики для получения экспериментальных данных о фундаментальных процессах микромеханического разрушения углепластиков при растяжении. Выявлено, что начальные повреждения
249 формируются в виде растрескивания матрицы в диапазоне деформаций образцов 0,48^0,67%, которые активно увеличиваются в размерах при деформациях свыше 1%, образуя межслоевые расслоения. Результаты in situ ультразвуковых исследований легли в основу численных моделей, описывающих развитие процессов разрушения углепластиков и прогнозирование остаточного ресурса изделий летательных аппаратов.
цилиндрическими элементами (волокна, углеродные нити, трещины), позволяет на основе найденных аналитических выражений проводить количественную оценку размеров элементов, размер которых много меньше длины волны зондирующего ультразвука. Экспериментальное подтверждение теоретических представлений проводилось при исследовании материалов от биологических тканей, полимеров и нанокомпозитов до керамик, углепластиков и сплавов металлов. Сформулированы ограничения разрешающей способности, учитывающие рефракционные аберрации фокусированных ультразвуковых пучков на границе иммерсии и образца при визуализации микроструктуры в объеме материалов. Изложены теоретические основы применения полусферического твердотельного элемента, закрепленного на поверхности образца, для трансформации сводящихся пучков в узкие, направленные пучки продольных и поперечных волн, с помощью которых можно проводить измерения локальных упругих характеристик. Представлены экспериментальные методики ультразвуковой визуализации процессов трансформации микроструктуры биорезорбируемых полимеров и количественной оценки изменений упругих свойств при гидротермальном старении in vitro. Разработанный экспериментальный подход для прижизненного ультразвукового исследования мелких лабораторных животных позволяет исследовать и визуализировать эволюцию микроструктуры и упругих свойств имплантированных полимерных материалов в условиях in vivo. С применением развитых in situ ультразвуковых методик наблюдения за процессами разрушения материалов под действием внешних механических нагрузок проводится визуализация формирования структурных повреждений в динамике. Активное применение методики связано с необходимостью описания фундаментальных процессов перестройки микроструктуры как в объеме армированных композитов, так и в объеме волокнистых материалов биомедицинского применения.
Таким образом, в диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований развито новое научное направление акустической микроскопии в исследовании эволюции микроструктуры и свойств материалов под действием физических, химических и механических факторов. Развитые экспериментальные методики позволяют описывать структуру и вязкоупругие свойства материалов не только в первоначальном состоянии, но и в процессе их изменения под влиянием разных факторов. Перспективы развития импульсной акустической микроскопии заключаются в разработке комплексных междисциплинарных подходов для решения фундаментальных проблем, находящихся на стыке нескольких отраслей науки, а также совершенствование приборной базы и программного обеспечения для решения актуальных прикладных задач.
Основные выводы по работе заключаются в следующем:
1. Разработанные экспериментальные методики и аппаратные средства ультразвуковой визуализации высокого разрешения, основанные на теоретическом анализе взаимодействия фокусированного ультразвукового пучка со структурными элементами различного масштаба в объеме материалов и механизмах акустического контраста, легли в основу нового научного направления акустической микроскопии в исследовании эволюции микроструктуры и свойств материалов под действием физических, химических и механических факторов.
2. Установлены закономерности формирования акустических изображений элементов внутренней микроструктуры, размер которых меньше длины ультразвуковой волны зондирующего пучка. Получены выражения для количественной оценки размеров элементов структуры, основанные на сопоставлении амплитуд выходных сигналов от обратно рассеянного на элементах микроструктуры ультразвука и величины чувствительности принимающей системы. Установлены особенности формирования выходного сигнала при рассеянии на цилиндрических элементах, которые в связаны с углом наклона относительно оси ультразвукового пучка и радиусом цилиндрического элемента. Чувствительность приемной системы акустического микроскопа задается акустическим объективом: рабочей частотой, угловой апертурой пучка и фокальным расстоянием. Величина регистрируемого выходного сигнала пропорциональна множителю, описывающему отношение длины волны к фокусному расстоянию (X/F)1/2.
3. Установлен предел разрешающей способности, учитывающий рефракционные аберрации фокусированных ультразвуковых пучков при визуализации элементов, расположенных в объеме материалов. Выявлено, что ультразвуковые изображения элементов структуры на глубине h в объеме объекта формируются эффективной апертурой зондирующего пучка, задающей выходной сигнал акустической системы и определяющей латеральное разрешение. С увеличением глубины отображаемой плоскости эффективная апертура уменьшается пропорционально 4h , а разрешение снижается. Латеральное разрешение, учитывая рефракционные аберрации, будет пропорционально дробной степени длины волны в материале и глубины визуализируемой У У
границы в объеме образца га ~ • /Г4.
4. Определены условия измерения локальных упругих характеристик образцов с применением полусферического трансформера, преобразующего сходящийся ультразвуковой пучок в тонкий направленный пучок продольных и поперечных волн, проникающий в объем образца, при которых погрешность измерений скоростей звука не превысит 1%. Выявлено, что применение полусферического элемента позволяет снизить вклад рефракционных аберраций на границе иммерсии и образца и стабилизировать форму сигналов, отраженных от передней и задней поверхности образца.
5. Установлено, что сфокусированный ультразвуковой пучок становится чувствителен к вариациям локальных упругих характеристик в том случае, когда размер областей с отличающимися свойствами сопоставим с диаметром фокального пятна от 25 мкм до 90 мкм (для частот от 200 МГц до 50 МГц). Выявлено, что с таким же пространственным разрешением будет осуществляться картирование распределения локальных упругих характеристик сплавов металлов и материалов с градиентными свойствами.
6. Разработанная методика ультразвуковой визуализации высокого разрешения для неинвазивной оценки объемной микроструктуры материалов тканевой инженерии и регенеративной медицины, основанная на формировании контрастных акустических изображений образца в вертикальной плоскости сканирования, получаемых при последовательном смещении положения фокуса акустической линзы по толщине объекта, обеспечивает высокий контраст и разрешение акустических изображений при ультразвуковых исследованиях in vitro и in vivo. Показано, что чувствительность фокусированного ультразвукового пучка к вариациям плотности тканей в объеме биологических объектов и короткие по длительности зондирующие сигналы (от 20 нс до 40 нс) способствуют визуализации элементов микроструктуры с разрешением от 15 мкм на глубину до 5 мм.
7. Разработан и реализован новый ультразвуковой подход для in vivo исследований процессов резорбции (деградации) полимерных имплантатов. Определены методики исследования и интерпретации ультразвуковых данных, получаемые при неинвазивном прижизненном ультразвуковом сканировании мелких лабораторных животных, которым были имплантированы полимерные образцы. Выявлено, что факторы, влияющие на гидролитическую деструкцию полимеров in vitro, и деструкцию в живом организме (in vivo), приводят к разному протеканию процессов резорбции. Обнаружена асинхронность деградации полимера Poly(lactic-co-glycolic acid) в модельной среде и живом организме, выраженная в разной скорости деградации объемной микроструктуры и снижения упругих свойств полимера.
8. Разработана и развита новая методика для ультразвуковой визуализации микроструктуры в объеме материалов под действием механической нагрузки в условиях, имитирующих естественные процессы в живом организме, достигающиеся за счет нагружения и ультразвукового сканирования образца при его полном погружении в водную среду. Показано, что использование акустической линзы на частоте 200 МГц одновременно обеспечивает высокий контраст при рассеянии на тонких полимерных волокнах (3^6 мкм) и достаточную для нетканых материалов глубину визуализации (400 мкм), что превосходит по информативности рентгеновские методы при визуализации нетканых материалов. Выявлены и описаны механизмы микромеханического разрушения нетканых материалов, имитирующих внеклеточный каркас, под действием растягивающих нагрузок.
9. Развиты оригинальные методики для ультразвуковой визуализации высокого
разрешения элементов внутренней микроструктуры композитов, армированных углеродными волокнами, и ее нарушений в результате внешнего воздействия. Механизмы контраста основаны на взаимодействии зондирующего пучка с тремя основными элементами: точечными рассеивателями (поры и пустоты), цилиндрическими
рассеивателями (армирующие волокна, нити и микротрещины) и протяженными границами раздела (межслоевые границы и расслоения). Экспериментально показано, что использование линз с уменьшенной угловой апертурой, для которых рефракционные аберрации снижаются, позволяет увеличить глубину визуализации до 3 мм (100 1) с сохранением информативности акустических изображений.
10. Разработаны авторские методики для in situ ультразвуковых исследований и визуализации динамики развития структурных нарушений в объеме углепластиков под действием одноосных механических нагрузок в реальном масштабе времени. Установлено, что повышение акустического контраста обусловлено сохранением раскрытого состояния трещин и расслоений, образовавшиеся в ходе нагружения углепластика, что увеличивает величину коэффициента отражения и амплитуду обратно рассеянного сигнала. Показана эффективность методики для получения экспериментальных данных о фундаментальных процессах микромеханического разрушения углепластиков при растяжении. Выявлено, что начальные повреждения
249 формируются в виде растрескивания матрицы в диапазоне деформаций образцов 0,48^0,67%, которые активно увеличиваются в размерах при деформациях свыше 1%, образуя межслоевые расслоения. Результаты in situ ультразвуковых исследований легли в основу численных моделей, описывающих развитие процессов разрушения углепластиков и прогнозирование остаточного ресурса изделий летательных аппаратов.
