Проект РНФ №20-19-00708 (2020-2022) «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 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.)