Centrum Doskonałości. Badań Materiałów Porowatych

Transkrypt

1 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych

2 Spis treści 1. Charakterystyka ogólna Centrum Formy i zakres działalności Centrum Struktura organizacyjna i zasoby badawcze Centrum Ważniejsze osiągnięcia naukowe Upowszechnianie wiedzy Współpraca partnerska Monografie Kursy... 5 Autorzy opracowania: prof. dr hab. inż. Józef Kubik dr hab. inż. Mieczysław Cieszko, prof. UKW dr hab. inż. Mariusz Kaczmarek, prof. UKW Przygotowanie materiałów i ikonografika: Marcin Kempiński Karol Pawełkowski 5.4. Konferencje Seminaria i wykłady gości zagranicznych Środowiskowe Studia Doktoranckie Zaplecze badawcze Laboratoria IMSIS Wyposażenie komputerowe, biblioteczne i oprogramowanie Opracowanie graficzne i skład: ArtStudio

3 1 Charakterystyka ogólna Centrum Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych POROCENT (Porous Media Research Training Centre) działa w ramach Wydziału Matematyki, Fizyki i Techniki Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego (UKW) w Bydgoszczy (wcześniej Akademia Bydgoska). Działalność Centrum służy promocji i koordynacji zaawansowanych badań teoretycznych i eksperymentalnych porowatych materiałów wielofazowych i wielofunkcyjnych. Służy także upowszechnianiu wiedzy z tego zakresu poprzez organizację seminariów, kursów i konferencji oraz publikację monografii i artykułów.

4 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych Charakterystyka ogólna Centrum Centrum zostało powołane przez Ministra Nauki i Informatyzacji w 00 roku w oparciu o kadrę naukową zespołu Instytutu Mechaniki Środowiska i Informatyki Stosowanej (IMSIS). Kompleksowe, teoretyczne i eksperymentalne badania materiałów porowatych rozwijane przez ten Zespół są kontynuacją prac (części pracowników) prowadzonych w latach w Zakładzie Mechaniki i Akustyki Materiałów Porowatych Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN w Poznaniu. W skład kadry badawczej Centrum wchodzą doświadczeni pracownicy naukowi o uznanym międzynarodowym dorobku i licznych kontaktach badawczych z ośrodkami naukowymi w kraju i zagranicą. Badania teoretyczne Zespołu koncentrują się na opisie mechaniki nasyconych deformowalnych materiałów porowatych z uwzględnieniem zjawisk termicznych, chemicznych i elektrycznych oraz roli struktury wewnętrznej porów w takich zjawiskach. Centrum dysponuje specjalistycznym zapleczem eksperymentalnym wysokiej klasy przeznaczonym do nowoczesnych, nieinwazyjnych badań ultradźwiękowych materiałów niejednorodnych i wielofazowych. Laboratoria Centrum wyposażone są w stanowiska i aparaturę do pomiaru parametrów struktury oraz właściwości fizycznych materiałów porowatych naturalnych i technicznych, materiałów biozastępczych i biomateriałów. Centrum posiada wyposażenie niezbędne do wytwarzania porowatych materiałów modelowych i przygotowywania próbek. Dlatego, wewnętrzna struktura przestrzeni porów odgrywa ważną rolę w przebiegu procesów i zjawisk w takich materiałach, a jej parametryzacja i badania mają duże znaczenie poznawcze i praktyczne. Przykłady przekrojów wybranych materiałów porowatych z widoczną złożoną strukturą porową przedstawiono poniżej. Struktury wybranych materiałów porowatych trawa włókna bawełny Struktura porów wyróżnik materiałów porowatych Porowate materiały przepuszczalne stanowią liczną rodzinę materiałów o dużym znaczeniu w przyrodzie, medycynie i zaawansowanej technice. Występują jako materiały naturalne (np. skały, grunty, drewno); materiały biologiczne (tkanki kostne, tkanki miękkie, błony półprzepuszczalne, ) oraz jako różnorodne materiały techniczne (np. porowate spieki metali, spieki ceramiczne, areożele, porowate szkło, betony, porowate tworzywa sztuczne). W większości przypadków materiały takie występują w stanie zawilgocenia lub nasycenia płynami o różnych własnościach reologicznych bądź magnetoreologicznych, tworząc ośrodek wielofazowy. Zagadnienia mechaniki, a zwłaszcza dynamiki materiałów porowatych nasyconych płynami są przedmiotem intensywnych badań, zaś ich wyniki prowadzą do wielofunkcyjnych zastosowań takich materiałów, szczególnie w ostatnim dziesięcioleciu. Szczegółowe modelowanie przebiegu zjawisk fizycznych (fal, deformacji, dyfuzji, ) w wielofazowych ośrodkach porowatych, a także prowadzenie badań eksperymentalnych wymaga uwzględnienia faktu, że poszczególne fazy ośrodka charakteryzują się swoją materialną objętością i fizyczną spójnością, które to cechy jednocześnie warunkują istnienie powierzchni rozdziału faz, najczęściej o bardzo złożonej geometrii, tworząc wewnętrzną przestrzeń porową. Objętość płynu w porach oraz względny ruch składników są źródłem różnych oddziaływań pomiędzy fazami, które zachodzą na powierzchni międzyfazowej. papier spiek szkła spiek cenosfer kość gąbczasta spiek brązu gazobeton

5 Formy i zakres działalności Centrum Zakres działalności badawczej Formy i zakres działalności Centrum W ramach Centrum POROCENT prowadzone są następujące formy działalności: badania teoretyczne i eksperymentalne wielofazowych i wielofunkcyjnych materiałów porowatych. Rozwój i doskonalenie nieinwazyjnych metod pomiarowych, tworzenie sieci i grup badawczych, tworzenie bazy danych i następnie specjalistycznych zbiorów bibliotecznych, kształcenie specjalistyczne młodych kadr naukowych w oparciu o Środowiskowe Studia Doktoranckie i Kursy Eksperckie, promocje i upowszechnianie wiedzy (konferencje, warsztaty, międzynarodowe szkoły letnie, publikacje). Główne formy działalności Centrum A. Promocja i koordynacja badań teoretycznych i numerycznych złożonych, wielofazowych materiałów porowatych, wrażliwych na zewnętrzne pola Głównym celem badań jest: opis i projektowanie materiałów złożonych zaliczanych do klasy tzw. materiałów wielofunkcyjnych, aktywnych lub inteligentnych, z uwzględnieniem właściwości mikroskopowych faz i charakterystyk strukturalnych tych materiałów. Badania obejmują: materiały porowate o kontrolowanej strukturze: (spieki, materiały ziarniste), naturalne materiały porowate: (kości, drewno, skały, grunty), materiały chemicznie aktywne: (iły smektytyczne, żele organiczne), podatne materiały magnetyczne: (ferrociecze i ferrożele, porowate miękkie materiały magnetyczne nasycone cieczą magnetyczną). W ramach badań teoretycznych rozwijane są matematyczne i numeryczne modele procesów transportu masy, pędu i energii w nasyconych i nienasyconych materiałach porowatych oraz modele struktury przestrzeni porów szkieletu. Dotyczy to także zjawisk propagacji fal w takich materiałach dla różnych zakresów ich długości w stosunku do wymiaru charakterystycznego porów (ziaren) ośrodka. Modele dynamiczne po zastosowaniu procedur optymalizacyjnych umożliwiają wyznaczanie parametrów struktury porów oraz stałych materiałowych w oparciu o pomiary i interpretację charakterystyk fal ultradźwiękowych propagujących się w takich ośrodkach. Stanowią one jednocześnie podstawę rozwoju istniejących metod i opracowania nowych ultradźwiękowych metod pomiarowych, w których ważną rolę odgrywa analiza sygnałów, wykorzystywana m.in. do separacji modów falowych i ich odszumiania. Prowadzone są także badania nad rozszerzeniem podstaw teoretycznych interpretacji danych eksperymentalnych porozymetrii rtęciowej. Rozwijane są badania teoretyczne i numeryczne łańcuchowych i sieciowych modeli struktury porów oraz możliwości ich wykorzystania do interpretacji danych porozymetrii rtęciowej.

6 10 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 11 Formy i zakres działalności Centrum Narzędzia badawcze: teoria ośrodków wielofazowych i wieloskładnikowych, metody uśredniania, teoria związków konstytutywnych, mechanika racjonalna nasyconych materiałów porowatych; zastosowanie przestrzeni Minkowskiego i Finslera, symulacje numeryczne quasistatycznych, sprzężonych procesów deformacji i przepływu w materiałach porowatych powodowane obciążeniami mechanicznymi, termicznymi i chemicznymi, symulacje procesów dynamicznych oraz propagacji fal w funkcji właściwości faz, struktury wewnętrznej materiałów oraz parametrów pól zewnętrznych (pola magnetycznego, elektrycznego, temperatury). B. Koordynacja rozwoju ultradźwiękowych metod porozymetrycznych. Identyfikacja parametrów struktury, charakterystyk transportu oraz własności mechanicznych materiałów porowatych Celem prac jest: rozwijanie nieinwazyjnych akustycznych metod identyfikacji mikro- i makroparametrów struktury przestrzeni porów (porozymetrii ultradźwiękowej) oraz własności mechanicznych materiałów porowatych, wielofunkcyjnych, aktywnych, rozwijanie ultradźwiękowych metod pomiarowych oraz specjalistycznych stanowisk: reflektometrii ultradźwiękowej, metody widm amplitudowych, spektroskopii fal powierzchniowych, rozwój podstaw teoretycznych interpretacji danych eksperymentalnych porozymetrii rtęciowej. Narzędzia badawcze: metody eksperymentalne dynamicznych badań odpowiedzi materiałów porowatych na obciążenia zewnętrzne (mechaniczne szkieletu, przepływ, zmianę chemizmu cieczy, temperaturę, natężenie pola magnetycznego). Zastosowanie spektroskopii ultradźwiękowej do oceny ewolucji właściwości mechanicznych i strukturalnych materiałów aktywnych. C. Rozwijanie metod diagnozowania jakości i stopnia degradacji porowatych materiałów biologicznych i technicznych Celem badań jest: opracowanie kompleksowej metody oceny stanu materiałów biologicznych i technicznych, których własności materiałowe lub strukturalne ulegają ewolucji pod wpływem obciążeń i czynników zewnętrznych. Dotyczy to: oceny ewolucji własności materiałów kostnych wywołanych np. osteoporozą, diagnozowania stopnia degradacji materiałów technicznych, np. betonu, będącej rezultatem oddziaływania środowiska zewnętrznego (np. temperatury, czynników agresywnych środowiska, długotrwałego obciążenia i drgań). W ramach badań teoretycznych rozwijane są modele matematyczne i numeryczne zjawisk propagacji fal w materiałach wielofazowych częściowo lub całkowicie nasyconych płynem, skoncentrowanych na opisie zależności parametrów propagacji fal (prędkości, tłumienia) od stałych materiałowych i parametrów strukturalnych charakteryzujących stan materiału. Umożliwia to analizę wrażliwości charakterystyk akustycznych fal od tych parametrów, a w konsekwencji opracowanie efektywnych metod optymalizacyjnych identyfikacji parametrów materiałowych. W ramach badań eksperymentalnych prowadzi się pomiary materiałów modelowych, biologicznych i technicznych na będącym na wyposażeniu Centrum nowoczesnym stanowisku ultradźwiękowym z wykorzystaniem szerokopasmowej spektroskopii ultradźwiękowej. Stosowane są uzupełniające się metody: fali przechodzącej, rozpraszania wstecznego, fali ciągłej oraz technika mikroskopii ultradźwiękowej. Istotną częścią badań jest rozwój metod fal powierzchniowych oraz techniki reflektometrii ultradźwiękowej ukierunkowany docelowo na zastosowanie do badań in vivo lub in situ. W przypadku materiałów biologicznych prowadzenie badań in vivo ma np. na celu opracowanie metody kontrolowania procesu gojenia się kości po złamaniu czy oceny jakości jej zrostu. W przypadku materiałów technicznych rozwijane są metody in situ diagnozowania zniszczenia mechanicznego lub środowiskowego konstrukcji.

7 3 Struktura organizacyjna i zasoby badawcze Centrum 13 Międzynarodowa Rada Doradcza Struktura organizacyjna i zasoby badawcze Centrum Struktura organizacyjna i zasoby badawcze Centrum (wyposażenie laboratoriów patrz rozdział 6) Prof. J. L. Auriault, Joseph Fourier University Grenoble (Francja) Prof. G. Degrande, University Leuven (Belgia) Prof. G. Gambolati, Universita di Padova (Włochy) Prof. K. Hutter, Universität Darmstadt (Niemcy) Prof. St. Kowalski, Politechnika Poznańska (Polska) Prof. Ian Murdoch, University Strathclyde, Glasgow (W. Brytania) Prof. W. K. Nowacki, IPPT PAN Warszawa (Polska) Prof. V. Nikolaevskii, Russian Academy of Sciences, Moskwa (Rosja) Prof. D. M. J. Smeulders, Delft University of Technology (Holandia) Lokalizacja laboratoriów Centrum Budynek główny UKW, ul. Chodkiewicza 30 Pl. Weyssenhoffa 11

8 4 Ważniejsze osiągnięcia naukowe 15 Przykłady anizotropowych przestrzeni Ważniejsze osiągnięcia naukowe W ramach badań teoretycznych sformułowano oryginalne modele matematyczne procesów w materiałach porowatych. Dotyczą one: rozszerzonego opisu makroskopowej struktury i dynamiki płynu w anizotropowej przestrzeni porów materiałów porowatych z zastosowaniem metryki przestrzeni Minkowskiego, mechaniki chemicznie wrażliwych materiałów porowatych nasyconych płynem, dynamiki deformowanych nasyconych materiałów porowatych. Opracowano stanowiska pomiarowe: porozymetrii ultradźwiękowej, permeametrii słabo przepuszczalnych materiałów porowatych, spektroskopii elektrycznej, mikroskopii ultradźwiękowej. Układ ulic w mieście Przykładowa metryka Minkowskiego przestrzeni porów C czwartego rzędu tensor struktury przestrzeni porów x dowolny wektor trójwymiarowej przestrzeni wektorowej Układ wzajemnie połączonych porów Opracowano technologie wytwarzania modelowych materiałów porowatych ze spiekanego granulatu szklanego. Przykład przestrzeni porów o tetragonalnej strukturze utworzonej z wiązki równoległych, obrotowych włókien o przekroju rombu Nowy makroskopowy opis struktury anizotropowej przestrzeni porów oraz ruchu płynu w materiałach porowatych Główna idea Anizotropowa przestrzeń porów materiałów porowatych na poziomie makroskopowym jest modelowana jako metryczna przestrzeń Minkowskiego, a ruch płynu w takim ośrodku jako ruch kontinuum materialnego w anizotropowej przestrzeni. Funkcja krętości porów przestrzeni tetragonalnej n kierunek przebiegu procesu e 1, e kierunki główne przestrzeni porów (Rys. a, Rys. b)

9 16 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 17 Ważniejsze osiągnięcia naukowe Porozymetria rtęciowa. Metoda granicznych modeli Porozymetria rtęciowa jest standardową metodą wyznaczania parametrów struktury przestrzeni porów, a w szczególności rozkładu ich wymiarów, dla większości materiałów porowatych. Wykorzystuje się przy tym uproszczony, kapilarny model architektury porów do interpretacji eksperymentalnych krzywych wciskania rtęci (krzywych potencjału kapilarnego), uzyskując wyniki obarczone dużym błędem. W metodzie granicznych modeli wykorzystuje się model kapilarny i łańcuchowy jako graniczne modele architektury sieciowej do wyznaczania granicznych rozkładów wymiarów porów materiałów porowatych. Umożliwia to określenie zakresu wymiarów porów występujących w materiale. Modele krzywych potencjału kapilarnego Porozymetria ultradźwiękowa Opracowana metoda porozymetrii ultradźwiękowej opiera się na pomiarach prędkości i tłumienia fal ultradźwiękowych w materiałach porowatych w szerokim zakresie częstotliwości. Pomiary prowadzi się z zastosowaniem metody przejścia i echa oraz fal impulsowych, paczek falowych lub fal ciągłych. W przypadku najczęściej stosowanych metod impulsowych odebrane sygnały poddaje się analizie spektralnej uzyskując dużą liczbę danych, w pojedynczym teście, w postaci zależności prędkości i tłumienia fal od częstotliwości. Dane te stanowią podstawę procedury optymalizacyjnej, która w oparciu o odpowiedni dwufazowy model propagacji fal oraz minimalizację funkcji błędu pozwala estymować wybrane parametry struktury (porowatość, przepuszczalność i krętość) oraz parametry sprężyste ośrodka. Dzięki wysokiej jakości generatorów, przetworników i urządzeń akwizycji oraz specjalistycznego oprogramowania, a także szerokiemu zakresowi częstotliwości stosowanych przetworników ultradźwiękowych (od 50 khz do 10 MHz) badania można prowadzić dla większości rodzajów materiałów porowatych pochodzenia naturalnego lub technicznego. V Ł (p), V K (p) potencjał kapilarny ośrodka porowatego o łańcuchowej i kapilarnej architekturze porów, η prawdopodobieństwo wystąpienia ogniwa nadkrytycznego, ϑ(d) objętościowy rozkład średnic porów, D* średnica krytyczna kapilary, N liczba ogniw w kapilarze warstwy Krzywa potencjału kapilarnego (a) oraz graniczne rozkłady wymiaru porów (b) materiału porowatego V(ω) prędkość fazowa, A(ω) współczynnik tłumienia, ω częstotliwość

10 18 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 19 Badania przepuszczalności materiałów słaboprzepuszczalnych Badania przepuszczalności materiałów słaboprzepuszczalnych Rozwinięto dwie metody badań przepuszczalności materiałów słabo przepuszczalnych: metodę stałego wydatku cieczy oraz niestacjonarną metodę gazową. Metoda stałego wydatku wykorzystuje pompę infuzyjną tłoczącą ciecz przez próbkę ze stałą prędkością oraz ciągłą rejestrację zmian ciśnienia na dopływie. Wyznaczenie wartości ciśnienia oraz prędkości przepływu cieczy pozwalają określić przepuszczalność lub zmiany przepuszczalności próbki zachodzące w trakcie przepływu. Niestacjonarna metoda gazowa opiera się na danych rejestrowanego spadku ciśnienia gazu przepływającego ze zbiornika gazu przez próbkę w funkcji czasu. Dane te wraz z nieliniowym modelem przepływu gazu uwzględniającym efekt Klinkenberga, po zastosowaniu procedury optymalizacyjnej minimalizującej odpowiednią funkcję błędu, pozwalają wyznaczyć przepuszczalność i parametr Klinkenberga. Spektroskopia elektryczna Spektroskopia elektryczna jest jedną z podstawowych metod eksperymentalnych wyznaczania dwóch ważnych parametrów struktury przestrzeni porów materiałów porowatych: współczynnika uformowania (F) i krętości porów (T). Istota metody polega na pomiarze przewodności elektrycznej (σ p ) nasyconego roztworem elektrolitu porowatego materiału nieprzewodzącego prądu oraz na pomiarze przewodności elektrycznej (σ) samego roztworu. Współczynnik uformowania oraz parametr krętości porów wyznaczany jest na podstawie wzorów: f v porowatość objętościowa σ F =, σ p T = f v F Schemat konfiguracji elektrod w trój-elektrodowej metodzie spektroskopii elektrycznej elektrolit elektroda ekranująca porowata próbka p s ciśnienie przed próbą, p b ciśnienie w komorze, p a ciśnienie atmosferyczne, v prędkość przepływu, k przepuszczalność, t czas

11 0 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych Proces technologiczny wytwarzania modelowych materiałów porowatych 5 Upowszechnianie wiedzy Materiałami standardowymi najczęściej wykorzystywanymi w badaniach właściwości materiałów porowatych są próbki modelowych materiałów porowatych wykonane ze spieków granulatu szklanego. Poniżej przedstawiono ważniejsze etapy procesu technologicznego wytwarzania próbek spieków granulatu szklanego realizowane w Laboratorium Wytwarzania Materiałów Modelowych i Przygotowania Próbek. Obejmują one: analizę granulometryczną, sortowanie, analizę granulometryczną po sortowaniu, spiekanie (przygotowanie zawiesin) oraz pomiary pomocnicze mające na celu wyznaczenie takich parametrów jak: gęstość materiału, porowatość, powierzchnia właściwa, średni wymiar pory. Proces przygotowania materiałów modelowych 5.1. Współpraca partnerska Współpraca partnerska Zespołu Badawczego Centrum realizowana była w następujących formach: Udział Zespołu Badawczego Centrum w realizacji Projektu Europejskiego; (MIAB Project: QLK ): Mechanical Integrity and Architecture of Bone Relative to Osteoporosis, Ageing and Drug Treatment w zakresie: Studies of mechanical and structural properties of sham operated and ovariectomized rat s bone w ramach 5 Programu Ramowego UE. Koordynator: Erasmus University Rotterdam, Prof. Dr. Harrie Wienans Międzynarodowa współpraca naukowa (w ramach umowy międzynarodowej między Rządem Ukrainy i Rządem Rzeczypospolitej Polskiej) na temat: Procesy transportu i fale w ośrodkach porowatych z uwzględnieniem zjawisk elektromagnetycznych, nr Projektu 4883/R0/R04 Organizacja corocznych Polsko-Ukraińskich i Ukraińsko-Polskich Konferencji na temat: Coupled physical fields in porous materials Organizacja międzynarodowego kursu Advanced Course on Modelling coupled phenomena in saturated porous materials w ramach europejskiej działalności szkoleniowej Centrum AMAS IPPT PAN oraz Centrum POROCENT, Bydgoszcz, June, 003 Organizacja międzynarodowego Workshopu Advanced ultrasonic methods for studies of materials w ramach działalności szkoleniowej Centrum POROCENT, Bydgoszcz, Maj 005 Współudział w realizacji projektów badawczych Instytutu d Electronique et de Microélectronique du Nord Groupe EC-Lille Electronique Acoustique (UMR CNRS 850) Współpraca badawcza z Laboratoire de Mécanique de Lille (UMR CNRS 8107) na temat: Mechanika nasyconych i częściowo nasyconych materiałów porowatych Organizacja sesji specjalnej Porous media and Geomechanics w ramach 33 Solid Mechanics Conference Zakopane, September 5 9, 000

12 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 3 Upowszechnianie wiedzy Współpraca partnerska Spotkanie brokerskie przedstawicieli Instytutu Mechaniki Środowiska i Informatyki Stosowanej AB z przedstawicielami Laboratoire d étude des Transferts en Hydrologie et Environnement Uniwersytetu im. J. Fouriera w Grenoble (Francja) podczas Second Biot Conference on POROMECHANICS, August, 00 dotyczące form bilateralnej współpracy i wymiany naukowej w dziedzinie mechaniki nasyconych materiałów porowatych Prezentacja dorobku Centrum na 143 Zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Akustycznego (ASA) w Pittsburgu, PA, USA na temat: Ultrasound propagation in and through bone (na zaproszenie organizatorów zjazdu) Prezentacja wyników badawczych na temat: Deformations and swelling stress in chemically sensitive soils. Macroscopic modelling ; na zaproszenie organizatorów międzynarodowej konferencji Clay behaviour: Chemo-mechanical coupling from nano-structure to engeneering applications Maratea, Włochy, 001 Staż naukowy w Centrum mgra Olega Kusego z Instytutu Stosowanych Problemów Mechaniki i Matematyki im. J. Podstrygacza, Narodowej Akademii Nauk Ukrainy. II Polsko-Ukraińskie Sympozjum INTERPOR Sprzężone pola fizyczne w materiałach porowatych. Teoria i eksperyment, Lubostroń, 00 IV Ukraińsko-Polska Konferencja Mechanika Środowiska, Metody Informatyczne, Symulacje, Lwów, czerwiec 004

13 4 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 5 Upowszechnianie wiedzy Kursy 5.. Monografie 5.3. Kursy Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences Warsaw Poland LECTURE NOTES 0 Józef Kubik, Mariusz Kaczmarek Ian Murdoch Modelling coupled phenomena in saturated porous materials Advanced Course on Modelling Coupled Phenomena in Saturated Porous Materials June 6, 003 Bydgoszcz Poland Coordinators: J. Kubik, I. Murdoch, M. Kaczmarek Centre of Excellence for Advanced Materials and Structures POROCENT National Centre of Excellence for Porous Media Centre of Excellence for Advanced Materials and Structures prof. Michał Basista and Witold Węglewski Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland; Micromechanical Modeling of Microcracked Brittle Solids prof. Jacob Bear Technion Israel Institute of Technology; Modeling Flow and Contaminant Transport in Saturated Porous Media prof. S. Majid Hassanizadeh Faculty of Civil Engineering and Geosciences; Delft University of Technology, The Netherlands Continuum Description of Thermodynamic Processes in Porous Media. Fundamentals and Applications prof. J. M. Huyghe Eindhoven University of Technology, The Netherlands; Chemo-electro-mechanical Behavior of Saturated Porous Materials

14 6 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 7 Upowszechnianie wiedzy Kursy prof. Józef Kubik Institute of Environmental Mechanics and Applied Computer Science, Bydgoszcz University, Poland; Elements of Constitutive Modelling of Saturated Porous Materials prof. Hans-Joachim Kümpel GGA-Institut / TU Clausthal Leibniz Institute for Applied Geosciences, Hannover, Germany; Coupled Mechanical Phenomena in Deformable Porous Media prof. Dariusz Łydżba Institute of Geotechnics and Hydrotechnics, Wrocław University of Technology, Poland; Poromechanical Coupling in Saturated Geomaterials: Homogenization Based Study prof. Ian Murdoch Department of Mathematics University of Strathclyde, Glasgow, Scotland; Fluid Flow in Porous Media: Continuum Modeling Based upon Microscopic Considerations Wykładowcy prof. Michał Basista (Polska) prof. Jacob Bear (Izrael) prof. Józef Kubik (Polska) prof. Hans-Joachim Kümpel (Niemcy) prof. S. Majid Hassanizadeh (Holandia) prof. J. M. Huyghe (Holandia) prof. Dariusz Łydżba (Polska) prof. Ian Murdoch (Szkocja)

15 8 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 9 Upowszechnianie wiedzy Kursy Workshop on Advanced Ultrasonic Methods for Studies of Materials May Bydgoszcz, Poland Lectures: Wykładowcy i uczestnicy kursu, Bydgoszcz 003 Koen van den Abeelle Nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS): Innovative techniques for microdamage diagnosis Marc Goueygou Advanced ultrasonic techniques for concrete testing: 1. The state of the art;. Experience at ECL Wolfgang Grill 1. Microscopic ultrasonic imaging for materials characterization. Basic principles, novel methods and application to porous materials including functionally graded sintered titanium and polyurethane foam;. Ultrasonic monitoring techniques. Monitoring of the zeolite synthesis, interferometric detection of diffusion, observation of diffusion by scanning ultrasonic microscopy; 3. Experimental demonstration and discussion of basic measurement principles and refined detection schemes suitable for ultrasonic monitoring and characterization Jozef Kubik / Mariusz Kaczmarek Identification of parameters of porous materials. Theoretical background and ultrasonic porosimetry Pascal Laugier Ultrasound bone testing: potential and challenges Bogumił Linde Ultrasonic spectroscopy Jerzy Litniewski / Andrzej Nowicki 1. Scanning acoustic microscopy of a single trabecula of a concellous bone;. Ultrasonic examination of hard and soft tissues using Golay complementary series excitation Wykład prof. Beara

16 30 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 31 Upowszechnianie wiedzy Kursy Wiesław Ostachowicz Elastic wave propagation development for structural health monitorring Frederic Padilla 1. Numerical simulation of ultrasound wave propagation through trabecular bone;. Backscattering by trabecular bone Michał Pakuła Wave propagation in cancellous bone: Modelling and ultrasonic results Experimental sessions Wolfgang Grill NAME TITLE Experimental demonstration and discussion of basic measurement principles and refined detection schemes suitable for ultrasonic monitoring and characterization microscopy (holography) for studies of materials Miejsce wykładów IMSIS (Institute of Environmental Mechanics and Applied Computer Science) IMSIS IMSIS Determination of ultrasonic parameters of porous materials. Application of immersion technique Determination of ultrasonic parameters of porous materials. Application of non contact technique Non-ultrasonic porosimetry Uczestnicy kursu

17 3 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 33 Upowszechnianie wiedzy Kursy Wykładowcy Koen van den Abeelle (Belgia) Wolfgang Grill (Niemcy) Bogumił Linde (Polska) Jerzy Litniewski (Polska) Mariusz Kaczmarek (Polska) Pascal Laugier (Francja) Wiesław Ostachowicz (Polska) Frederic Padilla (Francja)

18 Hosokawa & Otani, JASA, 1997 z f s x v Wave propagation Cortical bone 0,1 0, 0,4 0,6 0,8 1 4 Trabecular bone Nicholson et all, Bone, 1997 Kaczmarek & Pakula, Ultrasonics, R 6 4 R 1 z r 0,08 0,1 0, 0,4 0,6 0, Frequency [MHz] mod mod 3 mod ,1 0, 0,4 0,6 0, ,00 0,01 0,0 0,03 0,04 0,05 0, ,1 0, 0,4 0,6 0, ,3 0, 0,1 0,0-0,1-0, -0,3 0,3 0, 0,1 0,0-0,1-0, -0,3 0,3 0, 0,1 0,0-0,1-0, -0, ,1 0, 0,4 0,6 0,8 1 4 Biot Exper Biot's model experiment Frequency [MHz] 0,1 0, 0,4 0,6 0, , 05 MHz 30 db0, ,0-0,1-0, 0, 1 MHz 50 db 0, ,0-0,1-0, 0,.5 MHz 55 db 0, ,0 0, 0,4 0,6 0,8 Frequency [MHz] Frequency [MHz] FASTWAVE marrow alcohol water 0,0-0,1-0, 0,0 0, 0,4 0,6 0,8 Frequency [MHz] 1 L1 L 05 MHz 30 db 0, ,4 1 MHz 30 db 0, ,.5 MHz 40 db ,1 0, 0,4 0,6 0, , 0,0-0,1-0, 0,0-0, -0,4 0,1 0,0-0,1-0, Frequency [MHz] 1 Biot's model experiment 0,1 0, 0,4 0,6 0, Biot's model experiment Frequency [MHz] 800 0,5 0,5 0,75 1,5 5 Frequency [MHz] 1 05 MHz 40 db MHz 50 db MHz 45 db SLOWWAVE marrow alcohol water 0,1 0,5 0,50,751,5 5 Frequency [MHz] Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 35 Upowszechnianie wiedzy Konferencje 5.4 Konferencje Dorobek naukowy prezentowany podczas XXI Światowego Kongresu Mechaniki ICTAM, Warszawa 004 WAVE PROPAGATION IN HIGH POROSITY BONES A CELLULAR MODEL Micha Paku a, Józef Kubik and Mariusz Kaczmarek, Institiute of Environmental Mechanics and Applied Computer Science, Bydgoszcz University michalp@ab.edu.pl ABSTRACT: Experimental ultrasonic studies for high porosity cancellous bone give the results which can not be properly described in the wide frequency range (especially for high frequencies) using two phase macrocontinual models (Biot s or Schoenberg model). Hence, a cellular model for propagation of ultrasonic waves in such media is proposed. The sensivity analysis of frequency dependent phase velocities and attenuations of both longitudinal ultrasonic waves is presented in order to extract physical properties and structural parameters of the cellular model which mostly influence wave parameters. The parameters calculated from the proposed model are compared with the data obtained from Biot s theory. It was shown that only for the long wave range (low frequencies) the predictions of both considered models are close to each other and that the results obtained from cellular model are in good qualitative agreement with the experimental data received from ultrasonic studies. MOTIVATION Interpretation of ultrasonic data for cancellous bones needs two phase modeling (Laugier 001, Langton 1999, Nicholson 1999, Hosokawa-Otani 1997, Cowin1999, Kaczmarek et al. 00) Internal structure of bone solid skeleton + fluid (marrow) Results of ultrasonic studies in time domain 3MHz MHz AIM OF THE STUDIES Theoretical and numerical studies Develop a cellular model of propagation of elastic waves in cancellous bone without limit for the applied frequency Study numerically sensitivity of the proposed model to its basic parameters Experimental studies Application of wideband ultrasonic spectroscopy to bovine femoral bones filled with different fluids Develop a method of identification of structural and mechanical properties of cancellous bone Phase velocity [m/s] Phase velocity [m/s] BIOT S MODEL VS. EXPERIMENT Attenuation coefficient [Neper/m] Attenuation coefficient [Neper/m] Slow Wave Fast Wave Proposal of Cellular Model of Cancellous Bone Theoretical Results & Sensitivity Analisys Experimental Ultrasonic Results Elastic solid + newtonian fluid (layered structure) FLUID SOLID Phase velocity [m/s] Two wave modes Three wave modes Attenuation coefficient [Neper/m] Two wave modes 1 mod mod 3 mod Three wave modes EXPERIMENTAL TECHNIQUE FLUID SAMPLE Transmitter Receiver l l f R1 f v R Frequency [MHz] Displacement of particles in direction x for the first wave mode 3.6 MHz FLUID SOLID SIGNAL 1 (thicker sample) SIGNAL (thinner sample) Wave in the fluid SPECTRAL ANALISYS FFT Wave in sample AMPLITUDE PHASE & VELOCITY PHASE SPECTRUM ATTENUATION COEFFICIENT l f l s f v - porosity l s x 1.8 MHz x Yew, Yogi 1979 V f f L L 0 A f ; f log n f f L L A f MATCHING CONDITIONS Elementary cell for layered structure f s l s Txx xx Continuity of normal stresses x f s Txz xz Continuity of tangential stresses fluid-solid interface x=l f f s Vx V Continuity of normal components x of particle velocities f s Vz V Continuity of tangential z components of particle velocities Cell boundary x=l s V x 0 l f z SOLUTIONS MATCHING CONDITIONS (Achenbach, 1968) CONDITION FOR NONTRIVIAL SOLUTION CHARACTERISTIC EQUATION f(k z,w)=0 V k z -wavenumber, w-frequency Re k z Im Phase velocity Attenuation coefficient k z V, =f(, f, s,c f,c s,c sh,, l f,f v ) Phase velocity [m/s] l f l s l f z z Numerical sensitivity analysis of ultrasonic parameters 1 m od l f =1m m m od l f =1m m 1 m od l f =0.5 m m m od l f =0.5 m m Condition for characteristic frequency nc f c fn fn l f c fn c f Fre que ncy [MHz] Fre quency [MHz] Results of numerical sensitivity analysis Parameters strongly influencing phase velocity and attenuation Long wavelength range Poisson s ratio of solid material fluid viscosity, sound velocity in the fluid Short wavelength range fluid viscosity, sound velocity in the fluid, characteristic size of inhomogeneity (cell) porosity Parameters which have negligible influence on phase velocity and attenuation densities of the phases Attenuation coefficient [Neper/m] Phase velocity [m/s] RESULTS FOR CANCELLOUS BONE (time domain analysis) marrow water alcohol RESULTS FOR CANCELLOUS BONE (frequency domain analysis) Attenuation coefficient [Neper/m] Phase velocity [m/s] Attenuation coefficient [Neper/m] FAST WAVE Utrasonic studies vs. Biot s model and cellular model SLOW WAVE SCHEME OF THE IDENTIFICATION ALGORITHM CELLULAR MODEL (c i ) Phase velocity [m/s] Cellular model Biot's model experiment Attenuation coefficient [Neper/m] Biot's model Cellular model experiment Phase velocity [m/s] Biot's model cellular model experiment Attenuation coefficient [Neper/m] Biot's model cellular model experiment Experimental data (c, ) Long wavelength Short wavelength Condition for characteristic frequency Long wavelength Short wavelength optymization procedure optymization procedure Physical propert. Frequency [MHz] Frequency [MHz] Frequency [MHz] Frequency [MHz] CHARACTERISTIC SIZE OF INHOMOGENEITY POROSITY CONCLUSIONS: 1. Cellular model of wave propagation in trabecular bones with no limits for the applied frequency was proposed. Based on the model the following formula for the characteristic size of inhomogeneity was derived: l f =nc f f n * (c fn c fn -c f ).. Numerical sensitivity analysis alowed to extract the parameters which strongly influence (fluid viscosity, sound velocity in the fluid, Poisson s ratio, characteristic size of inhomogeneity, porosity) and poorly influence (densities of the fluid and solid) the phase velocity and attenuation 3. The proposed identification algorithm allowed to determine: from the range of low frequencies (long wavelengths) fluid density (960 kg/m 3 ), skeleton density (1960 kg/m 3 ), fluid viscosity (1.5Pa s), sound velocity in the fluid (1500m/s), velocity of the longitudinal and shear wave in the skeleton (3800m/s) i (00m/s); from the range of high frequencies (short wavelengths) characteristic size of inhomogeneity (1.004 mm) and porosity (81%).

19 36 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 37 Upowszechnianie wiedzy Seminaria i wykłady gości zagranicznych Extended Description of Pore Space Structure and Fluid Flow in Anisotropic Porous Materials Mieczys aw Cieszko Instytute of Environmental Mechanics and Computer Science Bydgoszcz University, ryban@rose.man.poznan.pl I. Modelling of Anisotropic Pore Space 3D V u = L(u) a) u = L(u) b) L(ku) = k L(u) c) L(u+v) L(u) +L(v) V 1 L ( u) MA( u) u u L A ( u) u MA( u) u L ( u) u M u u 0 L(0) = 0 k > 0 u, v V M ( ku) M ( u) A A u V u A u MA( u) u u u M u (n) u ( n) u A n M ( n) n A 1 n = u/u f v M A ( n) I f v [1] Minkowski Space as a Model of Anisotropic Pore Space of Permeable Materials. Modelling of the Skeleton Pore Structure.. [] Application of Minkowski Space to Description of Anisotropic Pore Space Structure in Porous Materials [3] The Differential Geometry of Finsler Spaces [4] Minkowski Geometry N M ( N) N A n M n u 1 1 II. Modelling of Fluid Motion in Anisotropic Pore Space N n ( v) 0 t Dv T b Dt v v v MA( v) v, v A v M v, t T M N) N A ( T v Application of Minkowski Metric Space f fv v A T M N) ( p( ) tr( D) ) I A( 1 D 3 ( v) ( I A( v) A ( v)) v 1 3 W D W v x A(v) A(v) (A(v) = A I) Dv 1 M ( v) M { p( ) ' v} Dt 1 '' M { v} R( v) v M( v) b 1 M( v) M MA( v) R v) M( v) ( I A( )) ( 1 v 1 1 M { p} R ( v) v ' M { v} 1 M p} R ( v) v o { o v Mo ( v) t 1 v ao M { v} Ro( v) t a o M A (N) = M A d p -1 ao MA { p} dt d p d p d p d p c 1 c c 3 dt dx dy dz c i = a o / i constitutive relations for stress tensor in fluid and its interaction force with skeleton; the generalized Brinkman and Darcy quations for fluid flowing through porous materials; equations for wave propagation in luid filling anisotropic pore space 5.5. Seminaria i wykłady gości zagranicznych prof. E. Czapla, Instytut Mechaniki Środowiska i Informatyki Stosowanej, Instytut Stosowanych Problemów Mechaniki i Matematyki im. J. Podstrygacza, Narodowej Akademii Nauk Ukrainy: Termodynamiczne modele procesów nierównowagowych w ośrodkach ciągłych, czerwiec 004 luty 005 prof. Franz Fujara, Institute of Solid State Physics, Technische Universität, Darmstadt, Niemcy: Dynamics of guest molecules in nanoporous zeolites, czerwiec 004 Polymorphism of Ice, marzec 005 prof. Marc Goueygou, Ecole Centrale de Lille, Francja: Studies of chemically damaged concrete and presentation of laboratory, październik 00 Evaluation Of Damage In Concrete Cover Using High Frequency Surface Waves, listopad 003 doc. dr Vasyl Kondrat, Centrum Modelowania Matematycznego, PANU, Lwów, Ukraina: Równania Maxwella w ośrodkach materialnych, maj 003 Warunki brzegowe. Sformułowanie zagadnień elektrodynamiki, kwiecień 003 Równania bilansu pola magnetycznego. Oddziaływanie ze środowiskiem zewnętrznym. Niezmienniczość równań Maxwella, czerwiec 003 prof. Jolanta Lewandowska, prof. Christian Geindreau, Uniwersytet Joseph Fourier z Grenoble, Francja; Prezentacja tematyki badawczej Laboratoriów: Sols Solides Structures i d Etude des Transferts en Hydrologie et Environnement, maj 00 prof. Ian Murdoch, Dept. Mathematics, Strathclyde University, Glasgow: Objectivity in Classical Physics, czerwiec 00 dr Patrick H. F. Nicholson, Senior Researcher Department of Health Sciences, University of Jyväskylä, Finland, czerwiec 003: Non Invasive Assessment Of The Density, Structure And Strength Of Human Bone, With Special Reference To Ultrasonic Techniques prof. Bert van Rietbergen, Eindhoven University of Technology, Holandia: Bone mechanics: recent experimental and computational advances, maj 00

20 38 Centrum Doskonałości Badań Materiałów Porowatych 5.6. Środowiskowe Studia Doktoranckie 6 Zaplecze badawcze Ważną częścią działalności Centrum POROCENT jest kształcenie specjalistyczne młodych kadr naukowych na poziomie doktorskim w ramach Środowiskowego Studium Doktoranckiego. Merytoryczny nadzór nad Studium sprawuje Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie Laboratoria IMSIS Studia prowadzone są w trzech dyscyplinach: informatyka, mechanika, inżynieria materiałowa. Wykład inauguracyjny roku akademickiego 004/005 na studiach doktoranckich