Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
Метод и измерительная система неразрушающего теплового контроля структурных переходов в полимерных материалах
05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий
кандидата технических наук
Никулин Сергей Сергеевич
Тамбов, 2007
Диссертация выполнена на кафедре «Гидравлика и теплотехника» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Н.Ф. Майникова
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Е.И. Глинкин
кандидат технических наук, доцент В.А. Ивановский
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»
Защита диссертации состоится 1 ноября 2007 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.
Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.01.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.
Автореферат разослан «______» _________________ 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.А. Чуриков
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования. Полимерные материалы (ПМ) находят широкое применение, что обусловлено разнообразием их свойств, которые можно изменять при применении новых технологий. Информация о структурных переходах (фазовых, релаксационных) в ПМ необходима для назначения технологических режимов их переработки в изделия и дальнейшей эксплуатации. Традиционно применяемые методы термического анализа (ТА) температурных характеристик структурных переходов, как правило, требуют изготовления специальных образцов из ПМ, длительного времени испытания, дорогостоящего стационарного оборудования.
В последнее время (2004 г.) разработана измерительная система (ИС), реализующая контактные методы [1, 2] неразрушающего контроля (НК) структурных переходов в ПМ по изменениям их теплофизических свойств (ТФС) с ростом температуры. НК ТФС осуществляют по рабочим участкам термограмм, которые получены при тепловом воздействии от круглого источника тепла постоянной мощности по моделям плоского и сферического полупространств при регуляризации тепловых режимов в локальной области исследуемого тела.
Методы НК, реализуемые по [1, 2], требуют предварительной калибровки ИС по образцовым мерам ТФС, а программное обеспечение ИС не предусматривает определения законов движения границ структурных переходов в ПМ. Известно, что постановка и решение тепловых задач, использующих аппарат аналитической теории теплопроводности для областей с границами, перемещающимися по определенному закону, существенно упрощаются. В связи с этим, разработка методов и измерительных систем, реализующих известные [1, 2] и вновь разработанные методы НК структурных переходов в ПМ и методы определения законов движения их границ, актуальна.
Цель работы. Создать метод и измерительную систему, обеспечивающие НК температурных характеристик структурных переходов (фазовых и релаксационных) в полимерных материалах и позволяющие определять законы движения границ фазовых переходов (ФП).
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
обоснованы актуальность и определены основные направления разработки методов НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ и определения законов движения границ ФП;
теоретически исследованы возможности использования контактного метода неразрушающего ТА и возникающих процессов нестационарной теплопроводности в ПМ для определения законов движения границ ФП;
- исследованы особенности температурных полей, полученных при тепловом воздействии от круглого источника тепла постоянной мощности по модели сферического полупространства, при проявлениях фазовых переходов в ПМ;
разработана ИС, реализующая НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ по изменениям скоростей нагрева и остывания и метод определения закона движения границ ФП.
Научная новизна:
1. Разработаны и исследованы математические модели, позволяющие определять законы движения границ ФП по температурным откликам на тепловое воздействие от круглого источника тепла постоянной мощности, действующего на поверхности полуограниченного тела из ПМ.
2. Разработан и исследован метод НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ по изменениям скоростей нагрева или остывания, определяемым с экспериментальных термограмм, зафиксированных ИС на объектах исследования.
3. Разработаны математическое, алгоритмическое, программное обеспечения, которые являются основой функционирования ИС, предназначенной для НК структурных переходов (фазовых, релаксационных) в ПМ и определения законов движения границ ФП.
Практическая ценность работы заключается в том, что созданная ИС может функционировать в режимах определения ТФС, НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ по разработанному и известным методам [1, 2] и определения законов движения границ ФП в одной кратковременной реализации опыта.
Работоспособность ИС, оперативность и достоверность получаемой с ее помощью информации подтверждены при исследованиях твердофазных полиморфных и релаксационных переходов в политетрафторэтилене (ПТФЭ), коксонаполненном политетрафторэтилене (Ф4К20), полиметилметакрилате (ПММА), полистироле (ПС), полиэтилене (ПЭ) и в полиамидах - поликапроамиде и капролоне.
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований соискателя использованы при создании ИС НК структурных переходов в ПМ и применены в ОАО «Бокинский силикатный завод» (Бокино, Тамбовская область, 2005 г.); ФГУП «ТЗ Октябрь» (Тамбов, 2003 г.); ОАО «Электроприбор» (Тамбов, 2003 г.); Липецким государственным техническим университетом (Липецк, 2004 г.); ЗАО «ТАМАК» (Тамбов, 2004 г.); ФГУП «Котовский завод пластмасс» (Котовск, Тамбовская область, 2004 г.); ОАО «Ливныпластик» (Ливны, Орловская область, 2005 г.) и в учебном процессе ТГТУ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК), Международных школах, в том числе: II Международной НТК «Теория, методы и средства измерений, контроля, диагностики» (Новочеркасск, 2001 г.); VII, IX - XII НТК ТГТУ (Тамбов, 2002, 2004 - 2007 гг.); III, IV Российских национальных НТК по теплообмену (Москва, 2002, 2006 гг.); V Международной теплофизической школе (Тамбов, 2004 г.); VII - IX Международных НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения» (Москва, 2004 - 2006 гг.); XI Российской НТК по теплофизическим свойствам веществ (СПб, 2005 г.); Международной школе-семинаре «Проблемы экологии и менеджмента качества» (Тамбов, 2006 г.), XVI Международной школе под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (СПб, 2007 г.).
Публикации. Теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 24 печатных работах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 180 страницах и содержит 84 рисунка, 17 таблиц. Список литературы включает 250 наименований. Приложения представлены на 8 страницах.
Содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы. Раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены основные результаты апробации и реализации работы.
Рис. 1. Измерительная схема
Первая глава посвящена анализу ранее разработанных методов, ИС, устройств контроля структурных превращений в ПМ. Представлены сравнительные данные по информативности и возможностям известных методов. Спектроскопические, рентгеновские, традиционные релаксационные методы не позволяют регистрировать структурные переходы в готовых изделиях и массивных образцах из ПМ без разрушения их целостности. Среди известных теплофизических методов контроля структурных переходов в ПМ следует выделить контактные методы НК и ИС, использующие модели плоского и сферического полупространств при регуляризации тепловых режимов в локальной области исследуемого тела [1, 2]. Определены основные направления создания методов и ИС теплового НК изделий из ПМ.
Во второй главе дано теоретическое обоснование метода неразрушающего определения законов движения границ ФП, который реализуется разработанной ИС.
Согласно измерительной схеме (рис. 1) тепловое воздействие на исследуемое полимерное тело осуществляется с помощью нагревателя, выполненного в виде тонкого диска радиусом Rпл , встроенного в подложку измерительного зонда (ИЗ). Начальное температурное распределение контролируется одновременно несколькими (не менее трех) термоэлектрическими преобразователями (ТП), расположенными в центре нагревателя и на расстояниях ri от центра. В ходе эксперимента фиксируются термограммы - зависимости избыточной температуры T (или температуры изделия T*) от времени. Аналитически решить задачу теплопереноса в данной системе при наличии структурного перехода в ПМ затруднительно, так как не известны изменения ТФС исследуемого ПМ в температурном интервале структурного перехода, не известен закон движения границы ФП. Учитывая, что в ПМ фазовые переходы в отличии от релаксационных происходят при постоянной температуре Тп , для разработки математических моделей, позволяющих определять законы движения границ фазовых переходов в ПМ, использована следующая аналогия: распределение температуры в исследуемом теле от плоского круглого источника тепла постоянной мощности радиуса Rпл при >> 0 близко к распределению температуры в сферическом полупространстве со сферической полостью радиуса R, через которую осуществляется тепловое воздействие.
Рис. 2. Тепловая схема системы с поверхностным сферическим нагревателем
Рассмотрим задачу о распространении тепла в сферическом пространстве (рис. 2). Начальная избыточная температура тела из ПМ во всех точках одинакова и равна нулю. В момент времени ф = 0 на сферической поверхности с координатами r = R начинает действовать источник тепла с плотностью теплового потока q. При температуре T = Tп ПМ имеет фазовый переход, теплота которого - Qп. ТФС тела в результате ФП меняются незначительно. Необходимо найти распределение температуры внутри тела в любой момент времени. До тех пор, пока температура в любой точке тела меньше Tп, задача будет описываться классическим уравнением теплопроводности в сферических координатах с граничными условиями второго рода на поверхности с координатами r = R. Решение задачи известно:
(1)
Температурное поле на момент времени фнп , соответствующий началу ФП, определяется выражением:
(2)
Выражения (1), (2) в безразмерном представлении имеют вид:
(3)
(4)
где
; ; ; ;
В момент образования новой фазы начальное распределение температуры определяется зависимостью
(5)
а распределение температуры в теле находится из задачи стефановского типа:
, , (6)
, , (7)
, (8)
, (9)
, (10)
, (11)
, (12)
Здесь: - свободная граница, которая не задана и подлежит определению вместе с безразмерными температурами и в новой (индекс «1ф») и старой (индекс «2ф») фазах; - теплота фазового перехода в безразмерном виде.
При условии, что поверхность с координатой r = R достигает Тп при больших значениях Fo, начальное условие (8) в безразмерной форме имеет вид:
(13)
Для определения закона движения границы ФП применены два варианта преобразований.
Вариант 1. Считаем, что закон движения границы ФП такой же, как закон движения изотермы с температурой Тп в случае отсутствия перехода. В результате получено выражение:
(14)
где
.
Решение уравнения (14) имеет вид:
(15)
Выражение (15) достаточно сложно для применения его на практике. Введем дополнительные упрощения. Предполагаем, что .
Случай 1. Пренебрегаем в выражении (14) величинами и . Решение имеет вид:
(16)
Случай 2. Пренебрегаем в выражении (14) величиной . Решение имеет вид:
(17)
Вариант 2. Закон движения границы ФП должен удовлетворять следующим условиям.