CC BY
24
УДК 620.1.08
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕХОДОВ В ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ
Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, О Н. Попов, А.А. Фомин
Рассматривается тепловой метод неразрушающего определения температурных характеристик структурных переходов в полимерных материалах. Показано, что дифференцирование температурных зависимостей позволяет осуществлять неразрушающий контроль значений температуры структурных переходов в полимерных материалах без дополнительной калибровки измерительной системы. Для проверки предположения получены экспериментальные термограммы. В результате проведенного численного моделирования теплопереноса методом конечных элементов в соответствии с измерительной схемой, описанной в работе, получены термограммы в заданных точках контроля. Показано, что твердофазное структурное превращение наблюдается в исследуемой точке полимерного объекта (на линии центральной оси измерительного зонда) при достижении температуры структурного перехода по мере нагревания в соответствующее время. Численное исследование показало, что структурные переходы, сопровождающиеся тепловыми эффектами, могут быть зафиксированы разработанным методом по изменениям скорости нагрева.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, полимеры, структурные переходы, тепловой анализ, численное исследование.
Все усложняющиеся задачи по повышению качества промышленной продукции, надежности объектов требуют дальнейшего совершенствования методов и средств контроля и диагностики состояний изделий из полимерных материалов. Широкое применение полимерных материалов обусловлено разнообразием их свойств, которые можно изменять, используя новые технологии. Гибкость молекул полимеров обеспечивает наличие ряда агрегатных и фазовых состояний, богатство морфологических структур кристаллических образований, различные физические и релаксационные состояния аморфного полимера. Введение пластификаторов, наполнителей в полимерные материалы влияет на все типы состояний и переходов в готовых изделиях при эксплуатации. Изучение суперпозиций состояний и переходов полимерных материалов необходимо для назначения технологических режимов их переработки в изделия и последующей эксплуатации.
Применяющиеся для изучения полимерных материалов рентгеновские методы, дифференциальный термический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия и др. требуют изготовления специальных образцов, длительного времени испытания, использования дорогостоящего оборудования.
В данной работе рассматривается тепловой метод неразрушающего определения
температурных характеристик структурных переходов (твердофазных, релаксационных) в полимерных материалах, сопровождающихся тепловыми эффектами [1, 2].
Рис. 1. Схема расположения термоприемников и нагревателей в подложке зонда
Согласно измерительной схеме, представленной на рисунках 1 и 2, тепловое воздействие на исследуемое полимерное тело, имеющее равномерное начальное температурное распределение, осуществляется с помощью двух линейных нагревателей постоянной мощности, встроенных в подложку измерительного зонда. Начальное температурное распределение контролируется одно-
Психолого-педагогический журнал Гаудеамус, №2 (22), 2013
временно пятью термоэлектрическими преобразователями, расположенными на поверхности подложки измерительного зонда. Нагреватели, выполненные в виде полос шириной 2h = 2,2 мм, расположены на расстояниях 2,7 мм по обе стороны от центральной оси измерительного зонда. Один термоприемник расположен на линии центральной оси зонда, остальные термоприемники находятся по обе стороны от нее на расстояниях 4,3 и 4,8 мм [3, 4].
Возможен расчет первой производной по времени от температуры, выражающей скорость (V) изменения этой величины на кривых температурных зависимостей от времени, что позволяет осуществлять неразру-шающий контроль значений температуры структурных переходов в полимерных материалах без дополнительной калибровки измерительной системы.
В результате проведенного численного моделирования теплопереноса методом конечных элементов в соответствии с измерительной схемой (рис. 2) получены термограммы в заданных точках контроля (рис. 3). Моделирование проводилось при следующих условиях: подложка измерительного зонда выполнена из пенополиуретана марки «Ри-пор» (Я = 0,028 Вт/(мК), с = 1050 Вт/(м-К), р = 50 кг/м3); объект исследования - полиамид блочный, ПА - 6 (Я = 0,3 Вт/(м-К), с = 1750 Вт/(мК), р = 1550 кг/м3). Режимные характеристики: тепловая мощность на нагревателе задавалась в интервале от 4,2 до 7,5 Вт; частота дискретизации Ат = 0,5 с.
Т,°С
50 40 30
Рис. 2. Измерительная схема: 1 - нагреватель, 2 - подложка измерительного зонда, 3 - исследуемое тело, 4 - термоприемники
0
0 50 100 150 200 250 т, с
Рис. 3. Термограммы, полученные на линии центральной оси измерительного зонда при различных значениях теплового потока: 1) q1 = 5000 Вт/м2 ;
2) я2 = 6000 Вт/м2 ; 3) я3 = 7000 Вт/м2 ;
4) я4 = 8000 Вт/м2 ; 5) я5 = 9000 Вт/м2
Твердофазный структурный переход в ПА - 6, сопровождающийся эндотермическим тепловым эффектом, моделировали скачком теплоемкости в интервале от 27,5 до 29,5 °С.
На рисунке 3 представлены термограммы, полученные в точке контроля, расположенной на линии центральной оси измерительного зонда, при различных значениях теплового потока: 1) q\ = 5000 Вт/м2; 2) Ц2 = 6000 Вт/м2; 3) qз = 7000 Вт/м2; 4) q4 = 8000 Вт/м2; 5) q5 = 9000 Вт/м2.
На рисунке 4 представлены зависимости скорости нагрева исследуемой точки поверхности изделия от времени (рис. 4 а) и от температуры (рис. 4 б).
Из представленных данных видно, что твердофазное превращение в ПА - 6, сопровождающееся поглощением тепла, проявилось на зависимостях V = _Дт); V = ДТ) в узком интервале значений температуры от 27,5 до 29,5 °С.
На рисунке 4 (а) твердофазное структурное превращение явно проявилось в исследуемой точке полимерного объекта (на линии центральной оси измерительного зонда) при достижении температуры структурного перехода по мере нагревания в соответствующее время.
Таким образом, структурные превращения в полимерных материалах, сопровождающиеся тепловыми эффектами, могут быть зафиксированы разработанным методом по изменениям скорости нагрева.
4
V,
20'
15'
10'
°С/мин 5
50
100
150 200
250
°С/мин 5
20 15 10
т, с
10
20
30
40
50 T, °C
Рис. 4. Зависимости: a) V = f(T); б) V = f(T). 1) q1 = 5000 Вт/м2; 2) q2 = 6000 Вт/м2; 3) q3 = 7000 Вт/м2:
4) q4 = 8000 Вт/м2 ; 5) q5 = 9000 Вт/м2
5
0
0
0
Литература
1. Многомодельные методы в микропроцессорных системах неразрушающего контроля теп-лофизических характеристик материалов / С.В. Мищенко [и др.]. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012.
2. Жуков Н.П. Способ неразрушающего определения теплофизических свойств твердых материалов // Инженерно-физический журнал. 2004. Т. 77. № 5. С. 139-145.
3. Жуков Н.П. Моделирование процесса тепло-переноса от линейного источника тепла при теплофизических измерениях // Инженерно-физический журнал. 2005. Т. 78. № 3. С. 86-95.
4. Жуков Н.П. Метод и прибор для неразрушаю-щего контроля теплофизических свойств материалов // Приборостроение и средства автоматизации. 2005. № 1. С. 18-22.
References
1. Mnogomodel'nye metody v mikroprotsessornykh sistemakh nerazrushayushchego kontrolya teplo-fizicheskikh kharakteristik materialov / S.V. Mi-shchenko [i dr.]. Tambov: Izd-vo FGBOU VPO «TGTU», 2012.
2. Zhukov N.P. Sposob nerazrushayushchego opre-deleniya teplofizicheskikh svoystv tverdykh mate-rialov // Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. 2004. T. 77. № 5. S. 139-145.
3. Zhukov N.P. Modelirovanie protsesa teplopereno-sa ot lineynogo istochnika tepla pri teplofiziche-skikh izmereniyakh // Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. 2005. T. 78. № 3. S. 86-95.
4. Zhukov N.P. Metod i pribor dlya nerazrushayushchego kontrolya teplofizicheskikh svoystv materialov // Priborostroenie i sredstva avtomatizatsii. 2005. № 1. S. 18-22.
STUDY OF NON-DESTRUCTIVE DETERMINATION OF THE STRUCTURAL TRANSITIONS IN POLYMERIC MATERIALS
N.F. Maynikova, I.V. Rogov, O.N. Popov, A.A. Fomin
We consider the thermal method of non-destructive determination of the temperature characteristics of the structural transitions in polymeric materials. It is shown that the temperature dependence of differentiation allows for non-destructive testing of temperature structural transitions in polymeric materials without additional calibration of the measuring system. To test the hypothesis experimentally obtained thermogram. As a result of numerical simulation by the finite heat transfer elements in accordance with the measuring circuit as described in the work thermogram obtained at predetermined control points. It is shown that the solid phase structural transition occurs at the point under polymeric object (on the line of the central axis of the probe) when the temperature of the structural transition upon heating at an appropriate time. Numerical study shows that structural transitions accompanied by thermal effects can be detected by the method developed by the changes in the rate of heating.
Key words: non-destructive testing, polymers, structural transitions, thermal analysis, numerical analysis.
