Введение к работе
Актуальность и степень научной проработки темы исследования Статистика пожаров свидетельствует, что социально-экономические потери от пожаров нарастают с каждым годом, превращая и мировую, и отечественную экономики в «камеры сжигания производимых благ», т к более 70% пожаров и погибших от них «приходится» на жилой сектор, где причинами каждого второго пожара являются электроприборы (ЭП) и предметы быта (ПБ)
Проблемы долговечности, устойчивости, «старения» и безопасности электрорадиоматериалов (ЭРМ) - полупроводников, диэлектриков, проводников и изделий из них, которые используются в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), средствах вычислительной техники (СВТ), в промышленном электрооборудовании (ПЭО), бытовых ЭП и ПБ, до настоящего времени не решены
Это порождает первую - основную, на наш взгляд, проблему пожарной безопасности жизнедеятельности (ПБЖД), которая заключается в том, что существующие международные и национальные стандарты устанавливают качественные методы и средства определения пожаровзрывоопасности веществ и материалов, что не позволяет их использовать в аналитических моделях диагностики и оценки устойчивости, долговечности и безопасности изделий, оборудования, транспортно-энергетических средств и систем, зданий и сооружений
Вторая проблема ПБЖД является следствием первой, т к приводит к разработке и применению методов и средств противопожарной защиты, неадекватных реальной пожарной опасности объектов, в связи с чем, не происходит необходимой компенсации опасности, для достижения пожаробезопасных параметров жизнедеятельности
Указанные обстоятельства вызывают необходимость создания, как методов, так и средств диагностики и испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности для получения совокупности таких характеристик, которые позволят создать «образ жизненного цикла» ЭРМ и обеспечат возможность количественного определения параметров его безопасной эксплуатации
Таким образом, возникает научная задача создания «образа жизненного цикла» материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности в виде многопараметрической вектор-функции их свойств в условиях эксплуатации, а также метода и средства диагностики стадий «жизненного цикла» ЭРМ, путем комплексирования, синхронизации и автоматизации необходимых методов и средств в единый автоматизированный диагностический комплекс
Анализ ретроспективы развития предметной области показывает, что исследованию свойств веществ и материалов, а также испытаниям их долговечности, устойчивости, старения и безопасности, посвящено огромное количество работ, как в России, так и за рубежом
Фундаментальными исследованиями структуры и свойств ЭРМ занимаются Институты РАН, НИИ при ВУЗах России, отраслевые КБ и НИИ, а также научно-производственные предприятия оборонно-космического комплекса, которые используют для этого современные методы и средства регистрации и измерения, и имеют «на вооружении» мощные автоматизированные испытательные стенды
В этих работах имеются достаточные научные предпосылки для решения обозначенных задач Однако до настоящего времени существующие подходы к решению данной проблемы носят, как правило, локальный по областям применений и разрозненный по методам характер, что не позволяет провести их комплексирование
и автоматизацию
Поэтому представляется актуальной разработка нового метода, синхронно-сопрягающего термический и акустико-эмиссионный анализ с электрометрией образца, а также автоматизированной установки, его реализующей, что позволит получить «образ жизненного цикла» ЭРМ в виде вектор-функций их свойств в многомерном пространстве фазовых состояний материалов в условиях эксплуатации, включая количественные показатели их пожарной опасности, после чего осуществить идентификацию стадий этого цикла
Экспериментальная часть решаемой научной задачи включает в себя создание автоматизированного комплекса диагностики и испытаний, реализующего разработанные методы, модели и методики
В основе настоящего исследования лежат результаты работ многих отечественных ученых, с которыми автор на протяжении многих лет взаимодействовал в процессе работы над диссертацией
д т н Брушлинского Н Н, д т н Богуславского, к т н Гаврилея В М, д т н Копылова Н П, к т н Костарева Н П, д т н Мешалкина Е А, к т н. Пехотикова В А, д ф -м н Пруса Ю В , д т н Самойлова Л К, д т н Смелкова ГС, к с н Тетерина ИМ, д т н Топольского Н Г (в области оценки устойчивости и безопасности объектов и практического применения моделей, вероятностно-физического, термодинамического и системного подходов в автоматизации испытаний и моделирования оперативно-тактической деятельности пожарной охраны),
к ф - м н Буйло С И, к х н Бушковой Е С, д х н Лупейко Т Г, д т н Викулина В В, д ф -м н Панченко Е М, д ф-м н Степановой Л Н (в области материаловедения и применения методов акустической эмиссии, методов термического анализа и комплексирования разных физических методов для диагностики материалов),
д т н Загускина В Л, к ф - м н Строканя Г П, д ф -м н Резниченко Л А, к т н Шпак Л А, д ф - м н Юркевича В Э (в области моделирования и автоматизации теплофизических методов и средств с электрометрией, а также разработки средств метрологии методов ТА и АЭ с помощью термодинамических эталонов),
к т н Ежевской ТС, д б н Загускина С Л, к ф -м н Зинченко СП, д ф -м н Иванова И Г, к б н Павлова В Н, к ф -м н Толмачева Г Н (в области экологической безопасности, комплексирования и автоматизации лазерно-оптических методов и ИК Фурье-спектрометрии, в т ч для диагностики токсичности)
Объект исследования - методы, средства и системы испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности и диагностики их параметров, в т ч пожарной опасности
Предмет исследования - процессы аттестационных испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности, в тч на пожарную опасность, включая принципы сопряжения и способы автоматизации разных физических методов испытаний и диагностики ЭРМ
Цель исследования - повышение эффективности аттестационных испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности, включая определение их пожарной опасности, путем автоматизации процессов регистрации и режимов испытаний ЭРМ с помощью автоматизированного комплекса, в котором синхронно сопрягаются методы и средства термического анализа (ТА), акустической эмиссии (АЭ) и электрометрии
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи
Проведен анализ теоретических подходов в диагностике материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности и пожарной опасности изделий из них, принципов автоматизации, синхронизации и сопряжения методов и средств испытаний и диагностики ЭРМ, процессов дефектообразования, деструкции и «старения» ЭРМ в условиях эксплуатации, включая характеристики их пожарной опасности
Определен «образ жизненного цикла» ЭРМ в виде многопараметрических вектор-функций их свойств в многомерном пространстве фазовых состояний материалов в условиях эксплуатации, позволяющих автоматизировать контроль их изменений, включая существующие (качественные) и дополнительные (количественные) показатели пожарной опасности
3 Выполнено моделирование автоматизированной системы диагностики и
испытаний ЭРМ для получения «образа их жизненного цикла» в условиях
эксплуатации, которая позволяет достоверно идентифицировать стадии этого цикла, с
помощью подсистемы термодинамического эталонирования
Синтезирована структура автоматизированного комплекса диагностики и испытаний ЭРМ, позволяющего создавать «образ их жизненного цикла» в условиях эксплуатации, по которому в дальнейшем можно осуществлять идентификацию стадий безопасной эксплуатации материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматизированного комплекса диагностики и испытаний ЭРМ, в котором синхронно сопряжены методы и средства ТА, АЭ и электрометрии, реализующие, в том числе методику диагностики существующих и дополнительных показателей пожарной опасности ЭРМ
Методы и средства исследования. При решении указанных задач использовались следующие методы и средства
теоретические - термодинамика, теория надежности, теория горения и взрыва, теория вероятности, системный анализ, математическая физика, распознавание образов, математическая логика, теория конечных автоматов, математическое программирование,
экспериментальные - методы акустической эмиссии, электрометрии, термического анализа, ИК Фурье-спектрометрии, лазерного импульса, алгоритмизации и структурного программирования
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые разработана автоматизированная система диагностики и испытаний ЭРМ по вектор-функциям их «жизненного цикла» (ВФЖЦ) в условиях эксплуатации и получены новые научные результаты, а именно
1 Разработан новый метод термического анализа (ТА) материалов
электротехнической и радиоэлектронной промышленности, определяющий плотность
образца и названный электротермобароденсиметрией (ЭТБД), полученный
автоматизацией синхронного сопряжения термогравиметрии (ТГ),
термодилатометрии (ТД) и электрометрии (ЭМ) ЭРМ, при циклическом изменении
давления и температуры, на который получен Патент РФ (Решение ФИПС о выдаче
патента от 29 05 08, № 2006125486/28)
2 Спроектирована автоматизированная система диагностики и испытаний
(АСДИ), создающая «образ жизненного цикла» ЭРМ в условиях эксплуатации из
вектор-функций их параметров, получаемых с помощью ЭТБД, синхронно-
сопрягаемой с методом АЭ, при адаптивном термобароциклировании (АТБЦ) и
термобаронагружении образцов (АТБН), что позволяет идентифицировать стадии «жизненного цикла» ЭРМ
Разработана методика автоматизированной диагностики и испытаний ЭРМ с помощью АСДИ, определяющая, в том числе существующие (качественные) и дополнительные (количественные) показатели их пожарной опасности, базирующиеся на разработанном автором способе совместного решения уравнений Семенова, Зельдовича и Франк-Каменецкого в точке воспламенения
Создан макет автоматизированного диагностического комплекса, синхронно сопрягающий методы и средства ТА, АЭ и электрометрии, на котором проверены и отлажены алгоритмы и программное обеспечение, реализующие АТБЦ и формирование ВФЖЦ, в тч разработанную автором методику определения существующих и дополнительных показателей пожарной опасности ЭРМ, на что получен Патент РФ (№ 2324923 от 20 05 2008)
5 Предложен метод термодинамического эталонирования и структура
автоматизированной подсистемы метрологического обеспечения (взаимной
аттестации) методов ТА и АЭ по термодинамическим акустоэмиссионным (ТДАЭ)
микроэталонам, имеющим калиброванные энергии и температуры фазовых
переходов, на которые подана заявка на изобретение
Практическая ценность и значимость полученных результатов заключается в следующем
Разработанные в диссертации АСДИ и АКДИ корректно ускоряют процессы «старения» испытываемых ЭРМ до 1000 раз и определяют пожарную опасность исходного и «состаренного» образцов, что позволяет предложить их в качестве средств аттестационных испытаний материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности Испытательным пожарным лабораториям МЧС РФ, Центрам сертификации и метрологии Ростехрегулирования, материаловедческим предприятиям, НИИ и КБ
Синтезированный в ходе исследований метод ЭТБД, сопряженный с методом АЭ, создают при помощи вектор-функций «образ жизненного цикла» ЭРМ в условиях эксплуатации, что позволяет решить проблему автоматизированной диагностики дефектообразования и «эксплуатационного старения» ЭРМ, а также применить вероятностно-физические модели прогнозирования их устойчивости и долговечности, определяющие время безопасной эксплуатации изделий, изготовленных из них
3 Предложенный в работе метод автоматизированного термодинамического
акустико-эмиссионного (ТДАЭ) эталонирования, реализующий динамическую
калибровку и статическую поверку ТА и АЭ измерительных каналов с помощью
встроенных ТДАЭ-эталонов, позволяет решить проблему метрологического
обеспечения диагностики и испытаний ЭРМ и резко снизить ее трудоемкость
4 Разработанный в диссертации АКДИ, являясь первой отечественной
установкой синхронного термического, акустико-эмиссионного и электромагаитного
анализа, по существу является новым «инструментом», который может быть
использован вместо двадцати установок по ГОСТ 121044, для определения
пожарной опасности электрорадиоматериалов, позволяющим оценивать
пожаробезопасный ресурс и вероятность пожара изделий из ЭРМ (в РЭА, СВТ, ПЭО
и БЭП) по ГОСТ 12 1 004, т е «связать» два основных пожарных стандарта.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, достигнута за счет
- системного подхода в применении термодинамики, теории надежности, теории
горения и взрыва, теории вероятности, методов математической физики и распознавания образов,
создания и применения метода термодинамического эталонирования, позволяющего автоматизировать и реализовать динамическую и статическую поверку и калибровку измерительных каналов с помощью ТДАЭ-эталонов,
комплексирования современных методов и измерительных средств, позволяющих реализовать квази-изотермические и квази-изобарические режимы испытаний образцов при регистрации сигналов АЭ, параметров ТА и электрометрии, для корректного определения и использования термодинамических потенциалов, критериев подобия и новейших моделей статистической обработки сигналов АЭ,
- непротиворечивости и воспроизводимости в экспериментах результатов,
полученных теоретическим путем
Апробация работы. Теоретические и практические результаты, представленные
в диссертации, докладывались на 4-х научных семинарах, 9-ти Всероссийских и 18-ти
международных конференциях, симпозиумах, форумах и конгрессах ХШ
Всерос конф по физике сегнетоэлектриков (Тверь, 1992 г), Международном
Семинаре по проблемам безопасности атомных электростанций (Нетежин,
Хмельницкая АЭС, 1992 г), 3-м Международном конгрессе "Информационные
коммуникации, сети, системы и технологии" (Москва, 1992 г), ХП науч -практ конф
"Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных
работ" (Москва, 1993 г), 6-й Международной конф "Информатизация систем
безопасности" (Москва, 1997 г), XV Всерос конф по физике сегнетоэлектриков
(Азов, 1999 г), IV Международной конф «Кристаллы рост, свойства, реальная
структура, применение» (Александров, 1999 г ), Международной науч -практ конф
"Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения"
/"ПЬЕЗОТЕХНИКА-99'7 (Ростов н/Д, 1999), 10-й, 15-й, 16-й науч-тех конф "Системы безопасности" Международного форума информатизации (Москва, 2000, 2005, 2006 г г), Международной школе-семинаре «Применение симметрии и косиметрии в теории бифуркаций и фазовых переходовл/SCDS-II/ (Сочи, 2001 г), 6-м Международном форуме «Технология безопасности» (Москва, 2001), Международных конф «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» /ODPO-2002, ODPO-2004/ (Сочи, 2002, 2004 г г), науч-тех конф «Научно-инновационное сотрудничество» по межотраслевой Программе Минатома и Минобразования РФ (Москва, 2002 г ), Международных симпозиумах "Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» /ОМА-2002, ОМА-2005/ (Сочи, 2002, 2005 г г ), Всерос науч -практ конф «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Туапсе, 2002, 2003, 2006 г г), 24-й науч -практ конф с междунар уч «Композиционные материалы в промышленности»/ СЛАВПОЛИКОМ/ (Ялта, 2004 г), XVII-й науч -практ конф «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» (Обнинск, 2004 г), 13-й Международной конф «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2005 г ), V Российско-японском семинаре МИСиС-СГУ-ULVAC-Interactive Corporation «Оборудование, перспективные технологии, аналитические системы для материаловедения, микро и наноэлектроники» (Саратов, 2007 г)
Реализация и внедрение результатов работы. В период с 1992 по 2007 г г, по заказам предприятий Минприбора, Минрадиопрома, Мішатомзнерго, а также для 3-х зарубежных фирм "Vilniaus Sigma"(JlHTBa), "Kvantor" (Украина) и "Stmol" (Италия), под руководством автора выполнен ряд НИР, в которых использованы изложенные в
диссертации методики и модели, что отражено в 8 научно-технических отчетах
В 1996-99 годах под руководством автора в рамках Межвузовской НТП Минобразования РФ 465 «Качество и безопасность технологий, продукции, образовательных услуг и объектов», были разработаны и апробированы основные модели и методики, изложенные в диссертации, а также получен Патент РФ на изобретение позисторов № 2060566 от 20 05 96, используемых для создания калиброванных тепловых потоков
В 2001 году по программе Минатома России и Минобразования РФ (проект VI10 «Комбинированный термо-акустический метод исследования веществ и материалов», рук - д ф-м н, профессор, Панченко ЕМ) автором совместно с участниками проекта, была разработана методология синхронизации методов ТА и АЭ
С 2002 года разработанные модели и методы были скомпонованы в спецкурс «Современные методы и средства оценки и оптимизации качества, надежности и пожарной безопасности», который автор, работая по-совместительству доцентом кафедры промышленной и пожарной безопасности в Ростовском государственном строительном университете, читает студентам старших курсов специальности 340400 (Пожарная безопасность) и, который в 2004 году был издан и рекомендован Минобразованием РФ в качестве учебного пособия для строительных ВУЗов (УДК 504 006,33145, П 78 - Богуславский ЕЙ, Белозеров ВВ, Богуславский НЕ «Прогнозирование, оценка и анализ пожарной безопасности» Ростов н/Д РГСУ, 2004 151с)
В 2005-2006 г г, под руководством автора в рамках Программы «СТАРТ» (проект № 5823) создан макет установки «ОКТАЭДР» (Оптико-электронного Крио-Термо-Акусто-Эмиссионного ДериватогРафа), реализующий разработанные модели и методы, на котором проведены экспериментальные исследования образцов ЭРМ (диэлектрики и полупроводники), представленные в диссертации
В 2007 году в рамках гранта Южного федерального университета № К-07-Т-7/4, разработан электронный учебник «Современные методы и средства диагностики и испытаний материалов и изделий из них», куда автор включил полученные в диссертации результаты (http //uran ip rsu пі)
На защиту выносятся следующие основные результаты
Автоматизированная система диагностики и испытаний (АСДИ) материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности, реализующая, с помощью метода элекротермобароденсиметрии (ЭТБД), синхронно-сопрягаемого с методом АЭ, при адаптивном термобароциклировании (АТБЦ) и термобаронагружении (АТБН) образцов, формирование 38-ми параметрических вектор-функций «жизненного цикла» ЭРМ (ВФЖЦ) в условиях эксплуатации - F [Р,Т, т„ 1Ь р„ А„ а„ Ср„ Cv„ Д у„ СА Хь Vf - Fo„ BbE„ К„ G„ v„ pg f/E„ a„ \Z,\, C,(R), tga„ e„ p„ p, lf/a,t, L/R,t, є, a/t, C/a,t, Na„ U„ G„ »/,)], по которым в многомерном пространстве фазовых состояний материалов в условиях эксплуатации, осуществляется идентификация стадий этого цикла.
Структура автоматизированного комплекса диагностики и испытаний (АКДИ) материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности и алгоритмы его функционирования, синхронно сопрягающие методы и средства ЭТБД с АЭ, на макете которого проверены и отлажены модели и программное обеспечение, реализующие АТБЦ, АТБН и формирование ВФЖЦ
3 Метод и автоматизированная подсистема метрологического обеспечения
(взаимной аттестации) ТА и АЭ методов по термодинамическим акустоэмиссионным
(ТДАЭ) микроэталонам, встраиваемых в разработанную измерительную ячейку -тигель-термоэлектродилатометр на термоакустическом шток-волноводе (ТЭД ТАШВ), имеющим калиброванные значения температур и энергий фазовых переходов первого рода.
4 Методика автоматизированной диагностики и испытании материалов электротехнической и радиоэлектронной промышленности с помощью АКДИ, формирующего 18-ти параметрические вектор-функции жизненного цикла материалов - F (Р, Т, от, І, р, X a, CF, Н, а, є, р, dm, dl, dp, v, Ua, dNa/dt), позволяющие определить шестнадцать существующих и дополнительных показателей их пожарной опасности - Qcr, ТР и ЕР, Тпл и ЕПЛ,ТТЛ и ЕТл,Твс и ЕВС,ТТ и Чц, tP, Ро, В, КИ, группу горючести, совокупность которых характеризует количественно пожарную опасность ЭРМ и является его «образом жизненного цикла», по которому может осуществляться их контроль при эксплуатации
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации, в тч новый метод ТА - электротерчобароденсиметрия (ЭТБД), получены лично автором [11,30] В совместных пубтикациях автору принадлежат постановка задач исследования, разработка моделей и методик контроля и испытаний, теоретические расчеты
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ, в тч семь в рекомендованных ВАК журналах [7,15,22,33,34,36,38], учебное пособие, рекомендованное Министерством образования и науки РФ для использования в строительных ВУЗах [23], два патента РФ [8,37] и электронный учебник [32]
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 93 формулы, иллюстрируется 61 рисунком и 6 таблицами, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 134 наименований
