Исследование метода неразрушающего определения структурных переходов в полимерных материалах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 534.42

В.Д. Попов*, Е.В. Токарева, В.С. Осипчик, А.Ю. Ярмизина

Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия 392000, Тамбов, ул. Советская, д. 106

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

125047, Москва, Миусская пл., д. 9 *e-mail: [email protected]

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕХОДОВ В ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Рассматривается тепловой метод неразрушающего определения температурных характеристик структурных переходов в полимерных материалах. 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 [1]. Широкое применение полимерных материалов обусловлено разнообразием их свойств, которые можно изменять, используя новые технологии. Изучение суперпозиций состояний и переходов полимерных материалов необходимо для назначения технологических режимов их переработки в изделия и последующей эксплуатации [1].

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 [2].

При распространении тепла от линейного источника постоянной мощности в цилиндрическом полупространстве нет ограничений по времени нагрева, квазистационарная стадия не реализуется, скорость нагрева, при прочих равных условиях, выше. Так как эффективность метода неразрушающего контроля структурных переходов в ПМ зависит от скорости движения границы структурного перехода, а температурный градиент при реализации метода с распространением тепла в цилиндрическом

полупространстве меньше, то применение линейного нагревателя постоянной мощности -перспективно [3].

Многомодельный метод неразрушающего контроля реализуется с помощью измерительного зонда (ИЗ), на контактной стороне которого расположены два нагревателя постоянной мощности и пять термоприемников (рис. 1).

При подаче напряжения на нагреватели измерительная система фиксирует термограммы У'=/(т) (рис. 2). Количество термограмм - пять.

Модель Л

многомодельного метода НК

Рис. 2. Термограммы По изменениям скоростей нагрева (за счет теплового эффекта структурного превращения в ПМ) в контролируемых точках поверхности,

можно зафиксировать температуру структурного перехода.

Известно, что при распространении тепла от линейного нагревателя постоянной мощности, на термограммах, зафиксированных на некотором расстоянии от нагревателя, можно выделить рабочие участки, соответствующие

распространению тепла в цилиндрическом полупространстве при регуляризации тепловых потоков. Через некоторое время т в точке контроля, соответствующей ТП3, наложение температурных полей от Н1 и Н2 позволит реализовать определение ТФС и их аномалий по модели А [2].

Согласно измерительной схеме метода, представленной на рис. 3, тепловое воздействие на исследуемое полимерное тело, имеющее равномерное начальное температурное распределение, осуществляется с помощью двух линейных нагревателей постоянной мощности, встроенных в подложку ИЗ. Начальное температурное распределение контролируется одновременно пятью термоэлектрическими преобразователями, расположенными на поверхности подложки измерительного зонда. Нагреватели, выполненные в виде полос шириной 2И = 2,2 мм, расположены на расстояниях 2,75 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 2,7 и 4,8 мм (рис. 1).

В результате проведенного численного моделирования процесса теплопереноса методом конечных элементов в соответствии с измерительной схемой (рис. 3) получены термограммы в заданных точках контроля (рис. 4). Моделирование проводилось при следующих условиях: подложка ИЗ выполнена из пенополиуретана марки «Рипор»

V, °С/мин 5

20'

15

10'

(X = 0,028 Вт/(м-К), с = 1050 Вт/(м-К), р = 50 кг/м3); объект исследования - полиамид блочный, ПА - 6

(I = 0,3 Вт/(м-К), с = 1750 Вт/(м-К), р = 1550 кг/м3).

Рис.3. Измерительная схема:

1 - нагреватели; 2 - подложка измерительного зонда; 3 - исследуемое тело; 4 - термопары

Рис. 4. Термограммы, полученные на линии центральной оси измерительного зонда при различных

значениях теплового потока: 1) qi = 5000 Вт/м2 ; 2) qi = 6000 Вт/м2 ; 3) qs = 7000 Вт/м2 ; 4) q4 = 8000 Вт/м2 ; 5) qs = 9000 Вт/м2

V, °С/мин 5

50

100

150

200

250

20

15

10

0

30

40

0 10 20 Рис. 5. Зависимости V = Дт) (а) и V=f(T) (б). 1) qi = 5000 Вт/м2 ; 2) q2 = 6000 Вт/м2 ; 3) qs = 7000 Вт/м2 ; 4) q4 = 8000 Вт/м2 ; 5) qs = 9000 Вт/м2

50 T, °C

5

5

0

0

Режимные характеристики: тепловая мощность на нагревателе задавалась в интервале от 4,2 до 7,5 Вт; частота дискретизации Ат = 0,5 с. Структурный переход в ПА - 6,

сопровождающийся эндотермическим тепловым эффектом, моделировался скачком теплоемкости в интервале от 27,5 до 29,5 °С.

На рис. 4 представлены термограммы, полученные в точке контроля, расположенной на оси измерительного зонда, при различных значениях теплового потока: q1 = 5000 Вт/м2 (1); q2 = 6000 Вт/м2 (2); qз = 7000 Вт/м2 (з); q4 = 8000 Вт/м2 (4); q5 = 9000 Вт/м2 (5).

На рис. 5 представлены зависимости скорости нагрева исследуемой точки поверхности изделия от времени (рис. 5, а) и от температуры (рис. 5, 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.

Попов Валентин Дмитриевич студент Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов

Токарева Екатерина Вадимовна студентка Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов

Осипчик Владимир Семенович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Ярмизина Анастасия Юрьевна студентка Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов

Литература

1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др.; Под ред. В.В. Клюева. 3-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 2005. 656 с.

2. Многомодельные методы в микропроцессорных системах неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов / С.В. Мищенко, Ю. Л. Муромцев, Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, О.Н. Попов. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. 112с.

3. Методы и средства неразрушающего теплового контроля структурных превращений в полимерных материалах: монография / Н.Ф. Майникова, С.В. Мищенко, Н.П. Жуков, И.В. Рогов. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. 320 с.

4. Метод и измерительно -вычислительная система неразрушающего теплофизического контроля / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова // Пластические массы. 2005. № 2. С. 39.

5. Теоретическое обоснование метода неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, О.Н. Попов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2010. Т. 16. № 2. С. 296 - 302.

6. Математическое моделирование теплопереноса от двух нагревателей в полуограниченном теле/ Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, О.Н. Попов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2012. Т. 18. № 2. С. 327 - 332.

Popov Valentin Dmitrievich*, Tokareva Ekaterina Vadimovna, Osipchik Vladimir Semenovich, Yarmizina Anastasiya Yuryevna.

Tambov State Technical University, Tambov, Russia.

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

*e-mail: [email protected]

DETERMINATION OF STRUCTURAL TRANSITION TEMPERATURE IN POLYMERS USING NON-DESTRUCTIVE METHOD

Abstract

We consider the thermal method of non-destructive determination of the temperature characteristics of the structural transitions in polymeric materials. Numerical study shows that structural transitions accompanied by termal effects can by detected by the changes in the rate of heating.

Key words: nondestructive testing; polymers; structural transition; thermal analysis;the transition temperature.