Проект РНФ №20-19-00708 (2020-2024) «Исследование фазовых переходов в жидких средах при помощи акустоэлектронных методов и разработка новых датчиков физических величин на этой основе.»
Руководитель: д.ф.-м.н. Кузнецова И.Е.
Отчет за 2023-2024
В результате выполнения работ в 2023-2024 гг были получены следующие результаты:
При помощи разработанного и созданного многомодового экспериментального образца на основе 128 YX ниобата лития проведено зондирование тестируемой жидкости и льда совокупностью акустических волн, сенсорные свойства которых варьировались за счет разных направлений распространения, номера моды и толщины пластины. Эксперименты показали, что в большинстве случаев переход воды из жидкого в твердое состояние сопровождается увеличением вносимых потерь и положительными значениями изменения откликов, которые меняются с частотой (номером) моды. Максимальные значения откликов среди разных пьезопластин и акустических каналов меняются в щироких пределах – от 14 до 42 дБ. Минимальные значения откликов находятся на уровне 1-3 дБ.
Разработан метод многопараметрической характеризации жидких сред микролитрового объема, а также их фазовых переходов первого рода. Он основан на использовании фундаментальных свойств объемных акустических волн (ОАВ). Эти волны с поперечной поляризацией могут распространяться только в твердых средах, а с продольной поляризацией они могут проходить как сквозь твердые, так и жидкие среды с разной скоростью и поглощением. Разработанный метод позволил в одном цикле измерений определить семь акустических параметров жидкости. А именно, коэффициент поглощения, температурный коэффициент скорости, температурный коэффициент задержки, плотность, коэффициент термического расширения, упругий модуль жидкости и его температурный коэффициента. Метод апробирован на примере вазелинового масла, содержащего наночастицы активированного угля и SPAN80. Этот же метод был также применен для характеризации фазового перехода жидкость-лед, определения коэффициента Пуассона и скорости поверхностной акустической волны во льду, а также анализа однородности возникающего льда. Температурный диапазон измерений -20-+90С, частота акустической волны 13 МГц.
Разработана новая экспериментальная методика исследования фазовых переходов жидкость-лед и лед-жидкость при помощи объемных акустических волн. Она базируется на фундаментальных свойствах ОАВ – способности поперечных колебаний распространяться только в твердых телах и зависимости скорости продольных волн от агрегатного состояния вещества (жидкого или твердого). Впервые для регистрации процесса использовано не изменение скорости и/или поглощения акустических волн как это делается в большинстве акустических датчиков, а изменение времени задержки волны при распространении от излучателя к приемнику. Оказалось, что этот акустический параметр идеально подходит для исследования фазовых переходов жидкость-лед, потому что слабо зависит от температуры, но сильно — от агрегатного состояния среды распространения. С помощью разработанных методик и лабораторных прототипов измерены скорости и коэффициенты поглощения объемных акустических волн в воде и льду на частотах 1-37 МГц.
Разработана новая экспериментальная методика и создан прототип акустического датчика для исследования фазовых переходов жидкость-лед и лед-жидкость для двух разных жидкостей одновременно с помощью двух объемных акустических волн. Она основана на использовании бруска кристаллического кварца, ориентированном вдоль оси Y. Пьезопреобразователи на его поверхности возбуждали в нем квази-продольную и квази-поперечную объемные волны, направления потоков энергии которых направлены в разные стороны относительно волновой нормали и составляли с ней углы +23 град и -23 град , соответственно. Это позволило разделить пучки двух ОАВ в кварце и использовать каждую из них для зондирования своей кюветы со своей жидкостью. Работоспособность метода была подтверждена для двух образцов льда, полученных из дистиллированной воды и водного раствора NaCl. В результате проведенных работ была показана возможность применения нескольких объемных акустических волн, зондирующих разные области ледяного образца для детекции однородности льда по его толщине.
В рамках разработки методики контроля свойств жидкости, находящейся в суперкритических условиях в герметичном объеме проведены расчеты фазовой скорости акустических волн в пластинах, находящихся в контакте с невязкой, непроводящей жидкостью при различных значениях ее модуля упругости, зависящих от давления воды, при температурах 20С-80С. Учитывалось также изменение плотности жидкости с ростом температуры. Проведенный анализ показал, что с технологической точки зрения более практичным будет являться использование ОАВ для реализации методики контроля свойств жидкости, находящейся в критических условиях. Был определен клей, который выдерживает нагрев герметичной капсулы до 350С. В результате была получена частотная зависимость вносимых потерь продольной ОАВ от температуры (20-200С) при нахождении в герметичной камере спирта. Обнаружено, что с ростом температуры и, соответственно, давления внутри герметичной капсулы частота акустической волны уменьшается, что соответствует уменьшению скорости волны. Величина вносимых потерь для сигнала увеличивается, что говорит об увеличении затухания акустической волны при повышении температуры. Полученные результаты соответствуют известным физическим данным. В результате проведенных экспериментов была продемонстрирована возможность создания акустического метода на основе использования объемных акустических волн для контроля за физическими параметрами жидкости, находящейся в критическом состоянии.
Полученные результаты могут быть использованы для контроля качества смазочных материалов, масел, топлив и других технологических жидкостей в машиностроении, автомобилестроении и нефтепереработке в широком температурном диапазоне. Исследования фазовых переходов вода-лед с использованием акустических методов позволяют решать прикладные задачи, связанные с предотвращением оледенения авиационных и морских конструкций, что имеет большое значение для эксплуатации в условиях низких температур. Предложенные подходы способствуют улучшению прогнозирования изменений агрегатного состояния жидкостей, что критически важно для предотвращения техногенных катастроф в климатически нестабильных регионах. Компактность и простота использования разработанных датчиков позволяют применять их как в стационарных, так и в полевых условиях. Это открывает перспективы для их интеграции в автоматизированные системы мониторинга.
По результатам работ опубликованы следующие статьи и тезисы:
- Агейкин Н.А., Анисимкин В.И., Воронова Н.В., Смирнов А.В. Анализ радиационного поглощения акустических волн Лэмба в пластинах, нагруженных невязкой непроводящей жидкостью// Радиотехника и электроника, 2023, том 68, № 10, с. 1030–1034, 10.31857/S0033849423100029 (Ageikin N.A., Anisimkin V.I., Voronova N.V., Smirnov A.V. Analysis of Radiation Absorption of Acoustic Lamb Waves in Plates Loaded with Inviscid Nonconducting Liquid// Journal of Communications Technology and Electronics, 2023, Vol. 68, No. 10, pp. 1243–1247, 10.1134/S1064226923100029)
- Smirnov A., Anisimkin V., Voronova N., Kashin V., Kuznetsova I. Multi-Parameter Characterization of Liquid-to-Ice Phase Transition Using Bulk Acoustic Waves// Sensors, 2024, 24, 4010, 10.3390/s24124010.
- Anisimkin V.I., Voronova N.V., Shamsutdinova E.S., Smirnov A., Datsuk E., Kashin V., Kolesov V., Filippova N., Kotsyurbenko O., Kuznetsova I. Determination of acoustic properties of paraffin oil mixed with activated coal nanoparticles or SPAN80 using only BAW time delay measurement// Sensors and Actuators A: Physical, 2024, 379, 115893, 10.1016/j.sna.2024.115893
- Smirnov A., Anisimkin V., Ageykin N., Datsuk E., Kuznetsova I. Influence of Lamb wave anisotropy on detection of water-to-ice phase transition// Sensors, 2024, v.24, 7969, 10.3390/s24247969
- Агейкин Н.А., Анисимкин В.И., Воронова Н.В., Тельминов О.А., Шамин Е.С. Получение и обработка акустических откликов волн Лэмба в датчиках водных растворов базовых вкусов. РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, 2024, 16(3), c. 325-330 (Ageikin N.A., Anisimkin V.I., Voronova N.V., Telminov O.A., Shamin E.S. Measurement and processing of the acoustic Lamb wave responses towards water solutions of basic flavors . Radioelektronika, Nanosistemy, Informacionnye Tehnologii, 2024, 16(3), pp.325-330e.) 10.17725/rensit.2024.16.325
- Анисимкин В.И., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Исследование фазового перехода вода-лед-вода при помощи акустических волн в тонких пьезоэлектрических пластинах// Труды Всерос. конф. с межд. участием «II Лавёровские чтения – Арктика: актуальные проблемы и вызовы», 13-17 ноября 2023, Архангельск, Россия, с. 13-16
- Анисимкин В.И., Воронова Н.В., Кузнецова И.Е., Осипенко В.А., Смирнов А.В. Датчики оледенения на основе акустических волн Лэмба// Труды XХXV сессии РАО, 13-17 февраля 2023 г., г. Москва, АЕ, с.599-604, 10.34756/GEOS.2023.17.38503
- Анисимкин В.И., Воронова Н.В., Кузнецова И.Е., Смирнов А.В. Ультразвуковой датчик агрегатного состояния вещества // XXVII международная научная конференция «Волновая электроника и инфокоммуникационные системы» (WECONF-2024), 03-07.06.2024, С.-Петербург, с. 4-8
- Воронова Н.В., Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е., Смирнов А.В., Горнев Е.С. Акустический датчик оледенения на эллиптических, сдвиговых и продольных волнах пьезоэлектрической пластины//XXVII международная научная конференция «Волновая электроника и инфокоммуникационные системы» (WECONF-2024), 03-07.06.2024, С.-Петербург, с.46-51
- Анисимкин В.И., Шамсутдинова Е.С. Кузнецова И.Е. Акустические температурные коэффициенты суспензий на основе вазелинового масла // LXVIII Международная научная конференция «Актуальные проблемы прочности» Витебск, Беларусь, 27-31 мая 2024, с.266-268 .
- Анисимкин В.И., Кузнецова И.Е., Колесов В.В. Акустоэлектронные датчики фазовых переходов// 9th Int. Conf. On Physical Electronics, Tashkent, Uzbekistan, Oct. 3-4, 2024, 78-79
- Шамсутдинова Е.С., Смирнов А.В., Анисимкин В.И. Исследование фазовых переходов водных растворов хлоридов с помощью объемных волн// Труды 34 Межд. Конф. «СВЧ-техника и телекоммуника-ционные технологии», 8-14 сент. 2024, Севастополь, Россия, 2024, вып.4, с.206-207.
- Кузнецова И.Е., Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И. Акустические методы контроля характеристик проводящих полимеров, композитов и дисперсий// Тезисы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Сопряженные проводящие полимеры и продукты на их основе: методы синтеза и технологии применения», 05-07.06.2024, Ижевск, с.18-20
Отчет за 2020-2022
Проект был направлен на исследование фазовых переходов в жидких средах при помощи акустоэлектронных методов и разработка новых датчиков физических величин на этой основе. Актуальность выполненного проекта обуславливается, во-первых, необходимостью обеспечения безопасности техники и человека, работающих в экстремальных климатических условиях, и во-вторых, необходимостью разработки новых методов исследования свойств сред, находящихся в сверхкритическом состоянии. Использование сверхкритического флюида в качестве реакционной среды является интенсивно развивающимся направлением в химии для получения новых сверхчистых материалов, однако физические процессы, происходящие при таких условиях, по-прежнему недостаточно исследованы.
Научная новизна проекта заключалась в развитии акустоэлектронных методов применительно к исследованию процессов изменения агрегатного состояния воды и жидкостей на ее основе при изменении температуры и давления и свойств подстилающей поверхности. Использование этих методов позволило не только разработать прототипы датчиков для одновременного мониторинга таких параметров жидкости как вязкость, проводимость, температура и плотность в режиме реального времени, в том числе и для жидкостей микролитрового объема, но и более глубоко изучить физические процессы, происходящих при изменении агрегатного состояния воды и жидкостей на ее основе в процессе замерзания и таяния. Проведенные исследования позволили разработать прототипы датчиков оледенения на основе пьезоэлектрических структур. Кроме того, была предложена концепция создания датчиков для сред, находящихся в сверхкритическом состоянии.
Все поставленные в проекте задачи были успешно выполнены. Опубликовано 5 статей в зарубежных и российских журналах, входящих в системы цитирования WOS и Scopus, из которых 4 статьи в журналах первого квартиля Q1.
В результате выполнения проекта решались задачи исследования характеристик акустических волн высших порядков в пьезоэлектрических пластинах и структурах, находящихся в контакте с полярными и неполярными жидкостями при изменении их агрегатного состояния в результате изменения температуры. Теоретические исследования проводились для пластин и структур из наиболее используемых пьезоэлектриков (ST,X+90-SiO2, ST,X-SiO2, 36YX+90 LiTaO3, 36YX LiTaO3, YZ LiNbO3, 128YX LiNbO3, 41Y-LiNbO3, 64Y-LiNbO3, ZnO/Si), а также для структур на их основе, включающих различные типы жидкостей (дистиллированная H2O, тяжелая вода, водные растворы глицерина, водные растворы NaCl, моторное масло) и лед. На основе полученных теоретических результатов проводился выбор рабочей волны, частоты и геометрии, соответствующих поставленной задаче. В результате выполнения проекта было показано, что использование акустоэлектронных методов при плавном уменьшении и плавном увеличении температуры вблизи фазовых переходов жидкость-лед и лед-жидкость позволяет установить наличие/отсутствие гистерезисных явлений в ходе этих процессов, а также измерить конечную температуру прямого процесса (полного оледенения жидкости) и начальную температуру обратного процесса (начала плавления ледяной пробы). Кроме того, было показано, что подобный подход позволяет анализировать фазовые переходы жидкость-лед и лед-жидкость не только для однокомпонентных жидких сред, но и для смесей жидкостей, например, из вязких и электропроводящих компонент. Отличительной особенностью такого детектирования в последнем случае являет температурные зависимости вязкости отдельных жидкостей, которые вносят дополнительные вклады в результирующий акустоэлектронный отклик.
Интересным результатом является обнаруженный эффект увеличения вносимых потерь большинства мод при образовании льда на шлифованной поверхности пластины, в то время как этот же процесс на шлифованной пластине, покрытой маслом, приводит к снижению вносимых потерь тех же мод. Также было показано, что как для пластинчатых, так и для поверхностных акустических волн наблюдается увеличение их амплитудного и фазового откликов на гидрофильной поверхности по сравнению с аналогичными откликами на поверхности с гидрофобными свойствами при осаждении на эти поверхности слоев связанной воды из насыщенного пара.
В рамках выполнения данного проекта был разработан прототип акустоэлектронного датчика оледенения, основанный на структуре «подложка Si – пленка ZnO». Особенностью прототипа являлось отсутствие кюветы для жидкости, что исключало ее влияние на работу прототипа. Вода наносилась на свободную поверхность кремния так, чтобы полностью перекрыть зону между входным и выходным ВШП, включая область над преобразователями. В результате измерений были получены следующие результаты: отклик моды на фазовый переход вода/лед составил 34 дБ, вносимые потери, измеренные с водной нагрузкой, составляли 44 дБ. Рабочие характеристики прототипа не менялись для массы тестируемой пробы в диапазоне 500-1000 мг.
Был также предложен датчик на поперечной горизонтальной поверхностной акустической волны (SH-ПАВ) для измерения свойств вязкой жидкости. Проведено сравнение влияния отработанного моторного масла, полученного на скутере, проехавшем 6000 км, и нового моторного масла на характеристики указанных ПАВ. Также было учтено тепловое воздействие на новое моторное масло. Показано, что более высокочастотный датчик SH-ПАВ может быть использован для контроля свойств моторного масла.
На основе проведенного теоретического анализа были оптимизированы типы акустических колебаний (обобщенные моды Лэмба, поверхностная акустическая волна), направления распространения этих колебаний (вдоль и перпендикулярно кристаллографической оси Х) и вид откликов (амплитудный, фазовый) на внешние воздействия (вязкость, проводимость, температура жидкости, фазовый переход жидкость-лед). Для реализации многопараметрического датчика было предложено использовать волны Лэмба на частотах 23.9 МГц и 29.77 МГц в пластине 128YX ниобата лития толщиной 500 мкм. Фазовая скорость первой волны оказалась чувствительна к проводимости жидкости, но слабо чувствительна к вязкости. Затухание второй волны оказалось значительно при изменении вязкости жидкости, но не реагировало на изменение проводимости жидкости.
Наконец, проведенные в проекте работы по исследованию влияния давления воды на характеристики акустических волн в пьезоэлектрических пластин, служат начальным этапом для разработки акустоэлектронных датчиков для анализа физических процессов, происходящих при применении методов сверхкритических жидкостей и газов для получения новых типов материалов. Данный подход является принципиально новым для осуществления мониторинга процессов получения новых материалов (керамики, мелкокристаллических оксидов, углеродных материалов и т.д.) в процессе использования методов сверхкритических флюидов. В рамках выполнения проекта было предложено для создания акустических датчиков, работающих в экстремальных условиях повышенного давления, высоких температур, агрессивных сред, в замкнутых объемах использовать, как внешних устройства, так и помещаемые вовнутрь реакторов-автоклавов. В качестве внешних датчиков могут использоваться пьезокерамические излучатели, а в качестве датчиков, помещаемых внутрь таких устройств, могут использоваться линии задержки на ПАВ и волнах в пластинах. Основной проблемой в этом случае будет экранировка электродной структуры таких датчиков от измеряемой среды. Данное направление работы нуждается в дальнейшей проработке.
В результате выполнения работ были опубликованы следующие статьи:
- Smirnov A., Anisimkin V., Voronova N., Shamsutdinova E., Li P., Ezzin H., Qian Zh, Ma T., Kuznetsova I. Multimode Design and Piezoelectric Substrate Anisotropy Use to Improve Performance of Acoustic Liquid Sensors. Sensors v.22, p.7231 https://doi.org/10.3390/s22197231 (2022 г.) WOS SCOPUS Q1 RSCI РИНЦ
- Anisimkin A., Kolesov V., Kuznetsova A., Shamsutdinova E., Kuznetsova I. An Analysis of the Water-to-Ice Phase Transition Using Acoustic Plate Waves. Sensors v.21, #3, p.919 https://doi.org/10.3390/s21030919 (2021 г.) WOS SCOPUS Q1 РИНЦ
- Anisimkin V.I., Voronova N.V. New modification of the acoustic Lamb waves and its application for liquid and ice sensing. Ultrasonics v.116, p. 106496 https://doi.org/10.1016/j.ultras.2021.106496 (2021 г.) WOS SCOPUS Q1 РИНЦ
- Kondoh J., Nakayama K., Kuznetsova I. Study of frequency dependence of shear horizontal surface acoustic wave sensor for engine oil measurements. Sensors and Actuators A: Physical v.325, p. 112503 https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112503 (2021 г.) WOS SCOPUS Q1 РИНЦ
- Anisimkin V.I., Kuznetsova I.E., Shamsutdinova E.S. Specific Features of Detection of Electric Characteristics of Conductive Liquids Using Normal Acoustic Waves. Journal of Communications Technology and Electronics v.67, no.8, p.1022-1029 https://doi.org/10.1134/S1064226922080022 (2022 г.)