基于激光超声的薄层材料力学和结构特性参数在线一体化定征方法研究

As a functional material, thin layer plays an enormous impact on the national defense industry, modern industry and national economy. According to requirements of quality monitoring in thin layer during processing, we propose this project and aim to establish a theory and method to simultaneously determine the mechanical and geometrical properties of thin layer with laser-ultrasonic technique. On the basis of theoretical model of wave propagation and the proposed reflection coefficient measurement technique, the mechanical and geometrical properties, including thickness, density, eastic moduli and attenuation, are determined with an inverse algorithm utilizing least square method to minimize the sum of squared deviations between theoretical and measured reflection spectrum. . The successful implementation of this project will layer a theoretical basis for in-situ simultaneous determination of mechanical and geometrical properties of thin layer, optimizing the processing of thin layer by analyzing the measured mechanical and geometrical properties, and provide a key means of common technology with independent intellectual property rights. Meanwhile, the relevant theory and common technologies can be easily applied to traditional industries and high-tech industries such as aerospace and high-speed rail, and create greater social and economic benefits.

薄层材料作为一种功能性材料，对国防和现代工业及国民经济产生巨大影响。针对薄层材料在线质量监控的应用需求及其特点，提出本项目研究，开展基于激光超声的薄层材料力学和结构特性参数在线一体化定征方法研究。根据薄层材料的结构特点以及激光超声波在其中的传播规律，在建立任意薄层结构声反射系数计算理论和发展一种基于声场合成的任意角度声反射系数测量技术的基础上，通过反射系数谱多变量辨识实现薄层材料力学和结构特性参数同时测量，发展一种薄层材料特性参数在线一体化定征方法。. 本项目的成功实施将为薄层材料力学和结构特性参数在线一体化定征奠定基础，通过分析薄层材料的力学和结构参数来反馈薄层质量，进而为薄层制备工艺提供优化策略，同时也为该领域提供一种具有自主知识产权和关键的共性技术手段。此外，相关共性技术进一步推广，可方便延伸到传统产业以及航空航天和高铁等高新技术行业，创造更大的社会和经济效益。

本项目主要开展使用激光超声实现薄层材料结构参数和力学特性定征的基础研究，希望凭借激光超声独特的无耦合、远距离和多波模态特性，为实现极端环境下零部件在线生产或在役过程实时监测奠定理论和技术基础。在理论方面，综合考虑了光学穿透和热扩散效应以及材料参数随温度变化的情况，建立了光-热-声多物理场耦合作用下的激光超声理论模。同时，开展了有限元数值仿真研究激光在热弹机制下激发信号的过程以及激发的超声波在材料内传播、反射、衰减以及模态转换等声学现象，为薄层材料结构参数和力学特性定征构建精确的正向模型。在技术方面，在深入了解光学测量超声振动原理的基础上，详细研究了光学干涉仪的解调原理、频率响应以及灵敏度，自主开发了两套光学超声测量系统；同时，提出了基于离散线性模型、参考信号估计的超声图像反卷积稀疏化及扩展相移迁移技术等图像重建技术，更有效的提高图像质量和空间分辨率。在应用方面，自主集成了一套全光学激光超声系统，该系统完全自主开发，在性价比、系统适配性等方面具有明显的优势。在此基础上，开展实验研究，测量薄材的厚度、密度和声速参数等，验证实验方案和系统有效性。. 激光超声技术作为一种蕴含巨大发展潜力和适合极端环境应用的质量监控手段已为业界所共识，本项目的成功实施将为薄层材料在线质量监测奠定了重要的理论基础，同时也为该领域提供了一种具有自主知识产权和关键的共性技术手段。