Определение дефектов в полимерно-металлических изделиях Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 10_

УДК 620.1

К.С. Хромый, А.Ю. Ярмизина, Д.В. Трофимов, Н.П. Жуков*, Н.В. Костромина**, К.С. Пиминова

Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), Тамбов, Россия 392000, Тамбов, ул. Советская, д. 106, * e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская пл., д. 9 ** e-mail: kostroma2008loko@rambler.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ В ПОЛИМЕРНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЯХ

Аннотация

Исследована возможность неразрушающего определения дефекта в виде металлического включения на границе раздела полимерное покрытие из поливинилиденфторида - подложка из стали. Представлены схема моделирования и результаты исследования температурных полей. Установлены условия проведения неразрушающего теплового контроля, позволяющие не только определить толщину покрытия и его теплофизические свойства, но и оценить размеры дефекта в полимерно-металлическом изделии.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, поливинилиденфторид, полимерно-металлическое изделие, температурное поле, тепловой анализ.

Известны контактные методы неразрушающего теплового контроля, позволяющие определять теплофизические свойства (ТФС) твердых материалов и температурные характеристики структурных переходов в полимерных материалах (ПМ). ТФС определяют по рабочим участкам термограмм, полученным при тепловом воздействии на поверхность объекта исследования от источника тепла постоянной мощности в виде диска, встроенного в подложку измерительного зонда (ИЗ). По моделям, полученным в результате решения краевых задач теплопроводности, рассчитывают ТФС. Значение температуры перехода в ПМ определяют по аномалиям ТФС на температурных зависимостях [1, 2].

В данной работе представлены результаты численного исследования температурных полей, возникающих в двухслойных изделиях, определена возможность определения дефекта в виде

Исследуемое тело

металлического включения на границе раздела полимерное покрытие из поливинилиденфторида -подложка из стали. Подложка зонда выполнена из теплоизолятора. Радиус зонда - Лиз. Радиус нагревателя - ЯН. Объект состоит из двух слоев. Первый слой имеет свойства: теплопроводность теплоёмкость с1, плотность р1. Второй слой - с теплофизическими свойствами Х2, с2, р2. Толщины слоёв - Ь1, Н2. Значения температуры в точках контроля измеряются с помощью

термопреобразователей (ТП). Регистрируют термограммы - зависимости температуры от времени [1, 2]. В основе метода НК двухслойных изделий лежит предположение, что на термограмме имеются участки (рабочие), для которых обеспечивается высокая точность совпадения с результатами вычислительных экспериментов по аналитическим моделям.

• Этим участкам режимы, вышедшие на стадию регуляризации

Рис. 1. Измерительная схема метода

соответствуют [2,3] теплопереноса для локальной области

тела. Полученные ранее решения краевой

задачи нестационарной теплопроводности в системе двух тел, нагреваемых через бесконечный плоский нагреватель тепловым потоком постоянной мощности, в форме, пригодной для использования на рабочем участке термограммы, были использованы для получения математических выражений для расчета толщины покрытий на металлических основаниях [3].

Использовано моделирование температурных полей методом конечных элементов с помощью

пакета программ Elcut Student. Составлены описание задачи, ее геометрия, свойства сред, источники тепла, граничные и другие условия моделирования. Для построения геометрии задачи использованы следующие размеры: высота подложки зонда 20 мм, радиус 25 мм, толщина покрытия 1 мм, толщина основания 10 мм. Нагреватель из меди имеет размеры: радиус 10 мм, высота 1 мм. ТФС материалов сведены в таблицу.

Таблица. Теплофизические свойства материалов

• Материал • Теплопроводность X, Вт/(К-м) • Теплоемкость c, Дж/(кг-К) ' Плотность р, кг/м3

• Покрытие: поливинилиденфторид • 0,14 • 1200 • 1750

• Нагреватель: медь • 400 • 385 • 8890

• Подложка зонда: рипор • 0,028 • 1270 • 50

• Пластина: сталь 40 • 47 • 462 • 7800

Контролировали температуру в точках, расположенных на оси нагревателя: на границе раздела подложка зонда - покрытие; в середине слоя покрытия; на границе раздела покрытие - металл. Полученные данные позволяют выделить на термограммах рабочие участки, характеризующиеся независимостью от времени отношения теплового потока в любой точке покрытия к потоку тепла на его поверхности. Можно сделать вывод о реализации режима регуляризации теплопереноса и одномерного распространения тепла для локальной области

объекта. Таким образом, ранее полученное решение краевой задачи нестационарной теплопроводности в системе двух тел, нагреваемых через бесконечный плоский нагреватель тепловым потоком постоянной мощности, можно использовать для расчета толщины покрытия [3].

Схема моделирования и результаты исследования температурных полей, с целью контроля наличия дефекта покрытия в виде металлического включения на границе раздела: покрытие - металл, представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Схема моделирования

Данные, представленные на рис.2, позволяют выявить наличие дефекта в виде металлического включения диаметром 5 мм и толщиной 0,5 - 0,75 мм. Так как термограммы 1 - 3 на рис. 3а, 36 практически совпали, то определить толщину металлического включения размером 5 мм и менее в исследуемом объекте разрабатываемым способом при заданных условиях испытаний не представляется возможным. При наличии дефекта покрытия, диаметром 10 мм и более, определить толщину дефекта возможно при значениях Авк= 0,25 и более по данным, полученным с помощью термоприёмника ТП 1. Для дефектов,

включений в изделии при НК

диаметром более 20 мм и толщиной Ивк = 0,1 - 0,75 мм, возможно определение размеров по данным термограмм, полученных также термоприемником ТП 1.

Для дефектов больших численного исследования термограммами 1 - 5 (рис. 3д).

Данные, полученные термоприемника ТП 2, не информативны.

Таким образом, решение, полученное ранее, можно использовать для расчета ТФС и определения толщины покрытий из

размеров данные совпадают с

с

помощью

поливинилиденфторида на металлических основаниях [3]. Появляется также возможность выявить наличие дефекта покрытия (в виде

а)

г, х

металлического включения) и даже определить его размеры (диаметр и толщину) при определенных условиях проведения исследования.

О 100 200 300 400 500 600.

Рис. 3. Термограммы Т1 = ^г) (а, б, в): (1) - изделие без дефекта; (2 - 5) - с дефектом в виде металлической частицы диаметром dвк = 5 (а), 10 (б), 20 (в) и толщиной Нвк = 0,1; 0,25; 0,5; 0,75 мм

На рис. 3 представлены результаты исследования на момент времени 600 секунд. Однако представленные данные позволяют сделать вывод о том, что двух минут нагрева вполне достаточно для выявления дефектов покрытия в виде металлических включений указанных ранее

размеров. Реализацию контроля качества полимерных покрытий на металлических основаниях согласно представленному в данной работе методу осуществляют с помощью измерительной системы, детальное описание которой представлено в работе [2].

Хромый Кирилл Сергеевич, студент ТГТУ, Россия, Тамбов Ярмизина Анастасия Юрьевна, студент ТГТУ, Россия, Тамбов Трофимов Денис Валерьевич, студент ТГТУ, Россия, Тамбов Жуков Николай Павлович, д.т.н., профессор ТГТУ, Россия, Тамбов

Костромина Наталья Васильевна, доцент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Пиминова Ксения Сергеевна, студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Multimodel metod of nondestructive determinasion of the termophysical properties of solid material / N.P. Zhukov,

N.F. Mainikova, I.V. Rogov, E.V. Pudovkina // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2012. - T.85. №1. С. 203 - 209.

2. Майникова, Н.Ф. Измерительная система и метод неразрушающего контроля структурных превращений в

полимерных материалах / Н.Ф. Майникова // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2006. №1. С. 56 - 61.

3. Моделирование теплопереноса в методе неразрушающего контроля двухслойных материалов / Н.П. Жуков,

Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, А.О. Антонов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2013. Т.19. № 3. С. 506 - 511.

Khromyi Kirill Sergeevich, Yarmizina Anastasiya Yurievna, Trofimov Denis Valeryevich, Zhukov Nikolai Pavlovich*, Kostromina Natalyia Vasilyevna**, PiminovaKsenyia Sergeevna

Tambov State Technical University, Tambov, Russia * e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. ** e-mail: kostroma2008loko@rambler.ru

DEFINITION OF DEFECTS IN THE POLYMER-METAL PRODUCTS Abstract

The possibility of non-destructive determination of defect in the form of metallic inclusions on the interface of the polyvinylidenefluoride polymer coating - steel substrate. A scheme of modeling and results of the study of temperature fields. The conditions of non-destructive thermal control, allowing not only to determine the thickness of the coating and its thermal properties, but also to estimate the size of the defect in the polymer-metal products.

Key words: nondestructive control, polyvinylidene fluoride, polymer-metallic product, temperature field, thermal analysis.