Паспорт проекта

Название проекта

Лазерно-ультразвуковая диагностика структуры и свойств горных пород и гетерогенных конструкционных материалов 


Лаборатория "Лазерно-ультразвуковой неразрушающий контроль"

Руководители проекта

д.ф.-м.н., профессор Карабутов Александр Алексеевич

Цели проекта

Обоснование нового научного направления, связанного с исследованием структурных особенностей и физико-механических свойств горных пород и гетерогенных конструкционных материалов на основе метода лазерной ультразвуковой спектроскопии и создание лабораторной базы для реализации этого метода

Задачи проекта

1. Создание лаборатории лазерно-ультразвуковой диагностики структуры и свойств горных пород и гетерогенных конструкционных материалов:
подбор и комплектация оборудования;
закупка и тестирование оборудования;
подготовка специалистов для работы с оборудованием;
отработка методик работы с оборудованием;
получение первых научных результатов
2. Разработка нового лазерно-ультразвукового неразрушающего метода определения локальных модулей упругости образцов горных пород и гетерогенных конструкционных материалов на основе измерения скоростей упругих волн и установление их корреляционных связей с поврежденностью внутренней структуры образцов (в том числе малых размеров).
3. Теоретический анализ возможностей расчета локальных модулей упругости в зависимости от концентрации, размеров и формы пор по измеренным спектрам широкополосных лазерно-ультразвуковых сигналов, регистрируемых при одностороннем доступе к образцу.
4. Изучение нелинейных эффектов, сопровождающих лазерное возбуждение ультразвуковых волн в гетерогенных средах и разработка на этой основе методов оценки поврежденности гео- и композиционных материалов. 
5. Изучение закономерностей влияния разномасштабных дефектов на спектральные характеристики широкополосного лазерно-ультразвукового сигнала, регистрируемого в образце.
6. Экспериментальная апробация лазерно-ультразвукового метода определения локальных модулей упругости на образцах углепластиков и углерод-углеродных композитов (как на более регулярных средах, чем геоматериалы). 
7. Измерение локальных модулей упругости фулереносодержащих (шунгитовых) пород лазерно-ультразвуковым методом и определение их связи с пористостью и нарушенностью образцов.
8. 2D визуализация внутренней структуры природных и синтезированных гетерогенных материалов на основе лазерной ультразвуковой спектроскопии.
9. Использование метода лазерно-ультразвуковой структуроскопии для определения характерных масштабов зерен образцов геоматериалов по частотной зависимости коэффициента затухания ультразвука. Верификация результатов измерений на стандартных образцах.
10. Отработка методик лазерно-ультразвуковой спектроскопии образцов природных и синтезированных гетерогенных материалов с различной степенью поврежденности.
11. Проведение независимых высокоточных измерений пористости и поврежденности методами электронной микроскопии и рентгеновской компьютерной томографии для верификации полученных лазерно-ультразвуковым методом результатов.

Уникальность проекта

В настоящее время в мире не существует лазерно-ультразвуковой структуроскопии горных пород. В горном институте НИТУ МИСиС ведутся работы по созданию прототипов лазерно-ультразвуковых структуроскопов для диагностики геоматериалов

Актуальность проекта

Синтез новых гетерогенных материалов для авиационной и космической техники, создание ресурсосберегающих технологий при добыче полезных ископаемых требуют новых подходов для диагностики структуры и свойств данных материалов, дающих более точную информация о наличии пор, трещин и других дефектов в них по сравнению с существующими методами

Оборудование

Сканирующий настольный электронный микроскоп Phenom ProХ

Комплект оборудования фирмы STRUERS для подготовки шлифов различных материалов

Универсальная испытательная машина с экстензометром LFM-50 (WALTER+BAI AG)

Автоматизированный лазерно-ультразвуковой структуроскоп

Мероприятия научного коллектива

Участие в международных конференциях VIIIth International Workshop NDT in Progress (NDTP2015), ICMET 2015: 17th International Conference on Management Engineering and Technology, 17th International Conference on Materials Science, Applied Physics and Engineering ICMSAPE 2015, проведение научного семинара на тему «Возможности лазерно-ультразвуковой дефектоскопии для диагностики структуры и свойств гетерогенных сред »

Партнёрство и сотрудничество

Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова

Геологический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова

Чешский технический университет, Прага, Чехия

Акустическая лаборатория, Майн, Франция

Технический университет Брно, Чехия

Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им. М.В.Ломоносова

Национальный университет, Мадрид, Испания

Совершенствование методов исследования структурных особенностей и физико-механических свойств сложных природных и синтезированных гетерогенных материалов является одной  из приоритетных задач геомеханики, горной геофизики, решение которой имеет важное фундаментальное и прикладное значение для повышения эффективности как горной, так и других отраслей промышленности.

Благодаря наличию устойчивых функциональных и корреляционных связей с важнейшими физико-механическими свойствами и структурными особенностями сложных природных и синтезированных гетерогенных материалов особое значение для исследования последних имеют ультразвуковые методы. В то же время, значительные потенциальные возможности этих методов не реализованы из-за ограниченности спектра и мощности зондирующих сигналов, недостаточной чувствительности пьезоэлектрических преобразователей.

Принципиально новый подход в реализации ультразвуковых методов заключается в сочетании лазерного возбуждения мощных широкополосных импульсов упругих волн и широкополосной пьезорегистрации. В рамках грантов РФФИ ((№ 08-05-00281-а «Структурная диагностика горных пород на основе принципов лазерной ультразвуковой спектроскопии» и № 11-05000574-а «Обоснование лазерно-ультразвукового метода изучения анизотропии и ее влияния на структуру и свойства горных пород») авторами проекта были выполнены предварительные исследования, доказавшие возможность выявления дефектности структуры, оценки размеров отдельных структурных элементов, определения упругих характеристик различных сред с использованием указанного подхода. Однако отсутствие аппаратного обеспечения, позволяющего реализовать весь потенциал возможностей метода лазерно-ультразвуковой дефекто- и структуроскопии, сдерживает его реальное применение.

Разработанные в течение последних нескольких лет российскими учеными, в том числе и участниками проекта, уникальные автоматизированные лазерно-ультразвуковые дефектоскопы позволяют возбуждать короткие мощные ультразвуковые импульсы с амплитудой давления до 10 МПа, длительностью менее 100 нс, частотным спектром от 50 кГц до 200 МГц. Динамический диапазон данных систем составляет 60-70 дБ. Аналогов данным дефектоскопам в мире не существует. Их применение в рамках предлагаемого проекта позволит осуществить практическую реализацию поставленных задач.

Создание лаборатории лазерно-ультразвуковой диагностики структуры и свойств горных пород и гетерогенных конструкционных материалов позволит реализовать новый метод контроля таких объектов, дополняющий существующие в НИТУ «МИСиС» методы просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, механических испытаний и др. Преимущество метода заключается в повышенной чувствительности, информативности, возможности работать с образцами малых размеров, повышении производительности процесса измерений. Исследования, проведенные в лаборатории, послужат основой для создания лазерной ультразвуковой томографии геоматериалов и гетерогеннных конструкционных материалов.

Ожидаемые результаты проекта:

1. Создание лаборатории лазерно-ультразвуковая диагностика структуры и свойств горных пород и гетерогенных конструкционных материалов.

2. Разработка нового лазерно-ультразвукового неразрушающего метода определения локальных модулей упругости образцов горных пород и гетерогенных конструкционных материалов на основе измерения скоростей упругих волн.

3. Создание методики расчета локальных модулей упругости в зависимости от концентрации, размеров и формы пор по измеренным спектрам широкополосных лазерно-ультразвуковых сигналов, регистрируемых при одностороннем доступе к образцу.

4. Разработка методов оценки поврежденности геоматериалов на основе изучения нелинейных эффектов, сопровождающих лазерное возбуждение ультразвуковых волн в гетерогенных средах.

5. Измерение локальных модулей упругости геоматериалов (антрацитов, фулереносодержащих (шунгитовых) пород), установление связи локальных модулей упругости с пористостью и нарушенностью образцов.

6. Создание методики 2D визуализации внутренней структуры природных и синтезированных гетерогенных материалов на основе результатов лазерной ультразвуковой спектроскопии.

7. Определение периода пространственной структуры природных фотонных кристаллов методом лазерно-ультразвуковой структуроскопии по частотной зависимости коэффициента затухания.

№ п/п

Название статьи

ФИО авторов,

Название издания

Год, месяц (том, выпуск)

 

1. Статьи, опубликованные членами научного коллектива в научных изданиях, индексируемых в базе данных  Web of Science, по направлению научного исследования

1.1

Experimental study of the critical point region of aluminum under the action of the powerful nanosecond laser pulse

Cherepetskaya E.B., Karabutov A.A., Kaptilny A.G, Ksenofontov D.M., Makarov V.A., Podymova N.B.

Laser Phys. Lett.

12 (2015) 125401, doi:10.1088/1612-2011/12/12/125401

 

1.2

Nonlinear reflection of a nanosecond laser pulse from thin aluminum film in the temperature range 2–14 kK

Cherepetskaya E.B., Karabutov A.A., Kaptilny A.G, Ksenofontov D.M., Makarov V.A., Podymova N.B.

Laser Phys. Lett.

12 (2015) 115403, doi:10.1088/1612-2011/12/11/115403

 

2. Прочие статьи членов научного коллектива по направлению научного исследования

2.1

Nonlinear Transformation of Laser Generated Ultrasonic Pulses in Geomaterials

Elena B. Cherepetskaya, Alexander A. Karabutov, Natalia B. Podymova, Ivan Sas.

International Journal of Mathematical, Computational, Physical, Electrical and Computer Engineering

Vol:9, No:10, p.507-509, 2015

 

2.2

Laser-Ultrasonic Method for Measuring the Local Elastic Moduli of Porous Isotropic Composite Materials

Alexander A. Karabutov, Natalia B. Podymova, Elena B. Cherepetskaya, Vladimir A. Makarov, Yulia G. Sokolovskaya

World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Materials and Metallurgical Engineering

Vol:9 , No:10, p.942-945, 2015-10-01

 

2.3

Laser - Ultrasonic Method for the Measurement of Residual Stresses in Metals

Alexander A. Karabutov, Natalia B. Podymova, Elena B. Cherepetskaya

World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Materials and Metallurgical Engineering

Vol:2, No:9, p.2, 2015

 

2.4

Nonlinear Evolution of the Pulses of Elastic Waves in Geological Materials

Elena B. Cherepetskaya, Alexander A. Karabutov, Natalia B. Podymova, Ivan Sas

World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Materials and Metallurgical Engineering

Vol:2, No:9, p.1, 2015

 

2.5

Contact laser-ultrasonic evaluation of carbon-fiber reinforced composites

Elena B. Cherepetskaya, Alexander A. Karabutov, Alexei N. Zharinov, Elena Mironova

International Meeting of NDT Experts, Books of Abstracts “NDT in Progress”

October 12-14, 2015, Prague, Chech Republic, p.

 

2.6

Laser-ultrasonic measurement of elastic moduli

Elena B. Cherepetskaya, Alexander A. Karabutov, Vladimir A. Makarov, Natalia B. Podymova

International Meeting of NDT Experts, Books of Abstracts “NDT in Progress”

October 12-14, 2015, Prague, Chech Republic, p.

 


28292092794_65e73dc506_k.JPG

п/п

ФИО

Должность

ИндексХирша

Число публика­ций 

Место работы

1

Gusev Vitaly

Distinguished Professor of the second (highest) level

32

66

Acoustical Laboratory,Université du Maine, France

2

Korutcheva Elka

PhD, D.Sc.,Associate Professor,

9

12

Universidad Nacional de Educacion a Distancia, Madrid, Spain

3

Карабутов Александр Алексеевич

Профессор, д.ф.-м.н. доцент

26

278

Международный учебно-научный лазерный центр федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»

3

Подымова Наталья Борисовна

старший преподаватель

10

62

Физический фа­культет МГУ им. М.В.Ломоносова

4

Черепецкая Елена Борисовна

профессор, д.т.н., профессор

3

16

Горный институт НИТУ «МИСиС», кафедра ФизГео

5

Блохин Дмитрий Иванович

доцент, к.т.н., доцент

1

7

НИИОСП им. Герсаванова

6

Новиков Евгений Александ­рович

доцент, к.т.н.

1

3

Горный институт НИТУ «МИСиС», кафедра ФизГео

7

Винников Владимир Александрович

Профессор, д.ф.-м.н  доцент

1

4

Горный институт НИТУ «МИСиС», кафедра ФизГео

8

Эртуганова Эльмира Александровна

Доцент, к.т.н.

1

2

Горный институт НИТУ «МИСиС», кафедра ФизГео

 

 

 

 

Наши проекты

Последние комментарии



Яндекс.Метрика