44.8. Исследование микроструктуры и физико-химических свойств современных материалов (полимеров, композитов, биокомпозитов, наноматериалов) методами акустической микроскопии высокого разрешения. фундаментальные и прикладные проблемы микрокустических методов и средств неразрушающего контроля исследования материалов

В настоящее время и фундаментальные исследования в различных областях физики твердого тела, материаловедения, биологии, биотехнологии и медицины испытывают острую потребность в неразрушающих методах исследования микроструктуры и процессов ее изменения без нарушения целостности исследуемых образцов. С другой стороны, для контроля за микроструктурой и локальными свойствами в объеме структурированных материалов, для оценки их надежности, для получения данных о механических, прочностных и усталостных характеристиках современные технологии требуют методов неразрушающего контроля с высоким пространственным разрешением. Развитие методов и устройств импульсной акустической микроскопии, наряду с прогрессом в области рентгеновской компьютерной микротомографии, обеспечивает потребность и фундаментальной науки, и современных технологий в эффективных средствах объемной визуализации высокого разрешения. Однако, для своей реализации рентгеновская микротомография требует мощных рентгеновских источников типа синхротронного излучения. Привлекательность импульсной акустической микроскопии связана с простотой ее реализации и безопасностью ее использования при высокой эффективности ее применения. Фокусированные ультразвуковые пучки представляются мощным средством оценки внутренней структуры и механических свойств в большинстве структурированных материалов. Ультразвук проникает в объем большинства материалов, в т.ч. оптически непрозрачных. Использование фокусированных пучков импульсного высокочастотного ультразвука позволяет получать разрешение в диапазоне от нескольких десятков микрон до десятых микрона. В настоящее время активно создаются устройства ультразвукового видения высокого разрешения и развиваются методики их использования в материаловедении, биотехнологиях и медицине. На Западе основное внимание уделяется созданию специализированных промышленных микроскопов, предназначенных для неразрушающего контроля изделий электронной промышленности. Ведутся работы по развитию методик и устройств для ультразвуковых исследований и диагностики в медицине и биологии с использованием лазерного возбуждения зондирующих ультразвуковых импульсов (лазерный ультразвук). Существенный вклад в разработку устройств и методов импульсной акустической микроскопии вносит ИБХФ РАН, институт, несомненно, входит в число мировых лидеров в этой области науки. В ИБХФ РАН создаются различные типы ультразвуковых микроскопов, разрабатываются методики их применения и проводятся исследования по актуальным проблемам науки и техники с применением разработанных методов и создаваемого оборудования. Целью исследований является разработка методов и средств ультразвукового видения высокого разрешения (импульсной акустической микроскопии) и ее использование для наблюдения, неразрушающей оценки и количественной характеризации микроструктуры и процессов ее изменения в объеме материалов без нарушения целостности исследуемых образцов. Будут проанализированы принципы формирования выходных сигналов импульсных акустических микроскопов в режиме на отражение и вкладов в такие сигналы эхо-импульсов, отраженных на различных элементах внутренней микроструктуры материалов. Базируясь на результатах такого анализа, будут развиты принципы интерпретации наблюдаемых акустических изображений и обоснованы методы локальных упругих измерений. С использованием устройств ультразвуковой визуализации высокого разрешения (импульсных акустических микроскопов), созданных к настоящему времени в ИБХФ РАН, будут разработаны уникальные методики для изучения микроструктуры, дефектов и свойств в актуальных современных материалах со сложной объемной микроструктурой – армированных композитах, нанокомпозитах, керамиках, слоистых системах, функциональных материалах, формируемых в рамках аддитивных технологий и др. Будут разработаны методики неразрушающего контроля и оценки высокого разрешения, представляющие в настоящее время необходимые элементы технологических цепочек при производстве и эксплуатации таких материалов. Импульсные акустические микроскопы будут использованы для решения актуальнейшей проблемы современного материаловедения – выяснения микроскопических механизмов разрушения композитных материалов. Изучение механизмов микроструктурных изменений под действием различных видов нагрузки будет выполняться неразрушающим образом путем наблюдения динамики структурных изменений в объеме материала в реальном масштабе времени. Будут получены данные о характере процессов необратимого деформирования и разрушения под действием механических нагрузок и внешней среды в армированных композитах, прежде всего углепластиках, в нанокомпозитах и других материалах со сложной внутренней микроструктурой На основе импульсной акустической микроскопии будут созданы методы неинвазивных исследований материалов и объектов тканевой инженерии и регенеративной медицины для контроля архитектуры и свойств в объеме тканевых имплантов на всех этапах формирования тканеинженерного продукта. Методы будут обеспечивать оценку целостности биоинженерной конструкции, характеризовать состояние матрикса, оценивать распределение и состояние клеточной составляющей импланта, в т. ч. наблюдение процессов клеточной адгезии, миграции и пролиферации в объеме искусственного матрикса. Будут разработаны и созданы прототипы устройств нового поколения, обеспечивающих существенное улучшение качества акустических изображений как за счет повышения рабочей частоты зондирующего ультразвука, и соответственно, пространственного разрешения, так и благодаря использованию алгоритмов цифровой обработки массива регистрируемых эхо-сигналов.