Charakterizace komplexních materiálových systémů pomocí povrchových akustických vln s využitím laser-ultrazvukových metod

Abstract

Tato práce zkoumá šíření elastických, a především povrchových vln jak anizotropním, tak nehomogenním prostředím. Zaměřuje se na využití numerických simulací a laser-ultrazvukové metody. V práci je také diskutována možnost numerického i experimentálního určení frekvenční disperze povrchových vln v systému vrstva-substrát a využítí této disperze pro charakterizaci tenkých vrstev. V první části popisující průchod anizotropním prostředím je představena Ritzova-Rayleighova numerická metoda pro určení rychlosti šíření povrchových vln. Potenciál této metody v kombinaci s metodou I STS je demonstrována na případu charakterizace tenké vrstvy slitiny s tvarovou pamětí v průběhu tepelného namáhání a fázových transformacích. Jako druhý případ jsou demonstrovány výsledky numerických simulací rozptylu vlny na hranicích zrn v Rayleighově i stochastické oblasti pomocí metody konečných diferencí a konečných prvku. Jako model polykrystalu je využita Voronojova teselace. Výsledky simulace jsou porovnány s analytickými metodami. Je diskutována také metoda charakterizace tenké vrstvy na substrátu v případě, kdy materiály obou jsou podobné a mají příliš blízké elastické vlastnosti, avšak rozdílnou mikrostrukturu. Je také popsána experimentální, laser-ultrazvuková metoda pro určení zmíněného případu.

This thesis investigates the propagation of elastic waves, with the emphasis on the surface acoustic waves, through an anisotropic and an inhomogeneous medium with a focus on the utilization of numerical simulations and laser-based ultrasound measurements. Furthermore, the simulation and experimental determination of the surface-wave frequency dispersion on a thin layer on a substrate and its application to characterize such layers is discussed. For the case of an anisotropic medium, a Ritz-Rayleigh numerical approach is introduced as a novel, promising tool for a calculation of wave velocity in a generally anisotropic and layered media. A potential of the combination of this approach and the laser-based ISTS method is shown on the case of a characterization of elastic properties of a shape-memory alloy during a heat loading and undergoing phase transformations. As the second case, the grain boundary scattering in both Rayleigh and stochastic region is simulated using a finite Difference and a finite element methods, utilizing a Voronoi-Tessellation as a model of a polycrystalline medium. The results are compared to the analytical models. A method of a characterization of a thin layer on a substrate, where the materials and elastic properties are similar, but the microstructure is different, is proposed. A laser-based ultrasound setup for an experimental measurement of such phenomenon is described.