Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физика процессов, сопровождающих механическую деформацию и разрушение композиционных диэлектрических материалов 12
1.1. Электрические эффекты при деформации и разрушении диэлектрических материалов 12
1.2. Закономерности и механизмы механоэлектрических преобразований в композиционных диэлектрических материалах при импульсном механическом возбуждении в области упругой деформации 15
1.3. Влияние структурных характеристик, наличия дефектов и напряженно-деформированного состояния, на закономерности распространения упругих волн в гетерогенных материалах 18
1.4. Существующие неразрушающие методы определения структурных и механических характеристик композиционных материалов и оценки напряженно-деформированного состояния 22
1.5. Состояние вопроса и задачи исследования 29
Глава 2. Методики экспериментальных исследований. Основные факторы, влияющие на параметры электромагнитного отклика 33
Введение 33
2.1. Методика и аппаратура для регистрации электромагнитного отклика на импульсное ударное возбуждение 34
2.2. Методика регистрации акустических колебаний и измерения скорости распространения акустических волн через образец 39
2.3. Методика оптической регистрации 40
2.4. Методика измерения электрических характеристик материала 42
2.5. Методика фазового рентгеноструктурного анализа 44
2.6. Методики оптимизации обработки данных 45
2.7. Характеристика объектов исследования 47
2.7. Исследование факторов, влияющих на параметры электромагнитного отклика 48
2.7.1 Исследование взаимосвязи параметров электромагнитного отклика из диэлектрических материалов с характеристиками ударного возбуждения 48
2.7.2 Влияние энергии и длительности ударного возбуждения на параметры электромагнитного отклика 53
2.7.3 Изменение параметров электромагнитного отклика в зависимости от геометрии эксперимента 58
Выводы к главе 2 59
Глава 3. Исследование влияния характеристик композиционных диэлектрических материалов на параметры мехапоэлектрических преобразований 61
3.1. Общие закономерности взаимосвязи упругих и электрических характеристик материалов и параметров электромагнитного отклика... 61
3.2. Зависимость параметров механоэлектрических преобразований от концентрации включений 66
3.3. Влияние пористости материала на параметры электромагнитного отклика 74
3.4. Механоэлектрические преобразования в пьезосодержащих диэлектрических материалах 81
3.5. Исследование взаимосвязи между структурными характеристиками слоистых композиционных материалов и параметрами электрического отклика на импульсное механическое возбуждение 85
Выводы к главе 3 89
Глава 4. Исследование связи параметров механоэлектрических преобразований с динамикой изменения качества адгезионного контакта в композиционных материалах в условиях напряженно- деформированного состояния 91
4.1. Влияние состояния адгезионного контакта в композиционных материалах на параметры механоэлектрических преобразований 92
4.1.1. Исследование изменения состояния адгезионного контакта при нагревании композитов оптическим методом 93
4.1.2. Исследование основных закономерностей механоэлектрических преобразований в композиционных материалах при комплексном термомеханическом возбуждении 95
4.2. Характер изменения амплитудно-частотных характеристик электромагнитного отклика на импульсное ударное возбуждение в зависимости от температуры 100
4.2.1. Исследование спектральных характеристик электромагнитного отклика из двухкомпонентной системы, состоящей из массивного гипсового камня и более тонкой металлической компоненты 100
4.2.2. Кинетика изменения спектральных характеристик электромагнитного отклика с температурой 102
4.2.3. Исследование влияния температуры на электрические характеристики композитов 104
4.3. Исследование основных закономерностей механоэлектрических преобразований в термически возбужденных композитах с различным соотношением коэффициентов температурного расширения компонентов. Критерий оценки прочности адгезионного контакта 109
4.3.1. Определение адгезионной прочности стандартным методом 114
Выводы к главе 4 115
Глава 5. Функциональные возможности практического использования явления механоэлектрических преобразований 117
5.1. Разработка электромагнитного неразрушающего метода контроля прочности изделий из твердых материалов 117
5.2. Возможности использования явления механоэлектрических преобразований для оценки изменения напряженно-деформированного состояния композиционных материалов 132
5.3. Исследование связи параметров электромагнитного сигнала с трещиноватостыо бетонов 138
5.4. Разработка электромагнитного метода оценки структурных фазовых превращений в кристаллогидратах 141
Выводы к главе 5 148
Заключение 150
Литература 153
- Закономерности и механизмы механоэлектрических преобразований в композиционных диэлектрических материалах при импульсном механическом возбуждении в области упругой деформации
- Методика регистрации акустических колебаний и измерения скорости распространения акустических волн через образец
- Зависимость параметров механоэлектрических преобразований от концентрации включений
- Исследование изменения состояния адгезионного контакта при нагревании композитов оптическим методом
Введение к работе
Эксплуатация и применение композиционных строительных материалов, исследованию которых и посвящена данная работа, связаны с высокими механическими нагрузками, поэтому задача контроля их качества и диагностики разрушения имеет очень важное практическое значение. Существующие методы контроля не обладают достаточной надежностью и точностью. Для решения этой задачи может быть использовано явление механоэлектрических преобразований в диэлектрических материалах, которое основано на возникновении электромагнитного сигнала под действием механического возбуждения.
Исследованиями механоэлектрических преобразований в различных
диэлектрических материалах показано, что они возникают не только на
стадии пластической деформации и разрушения диэлектрических твердых
тел, но и сопровождают упругую деформацию, вызванную импульсным
механическим возбуждением. Появилась перспектива разработки
неразрушающих методов контроля качества материалов, основанных на
использовании этого явления. В рамках этих исследований в проблемной
научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и
полупроводников (ПНИЛ ЭДиП) Томского политехнического
университета была разработана аппаратура для регистрации электромагнитного отклика при механоэлектрических преобразованиях, обладающая достаточно высокой чувствительностью и помехозащищенностью, с помощью которой были изучены некоторые механизмы, получены эмпирические закономерности и связи механических характеристик композиционных диэлектрических материалов с параметрами электромагнитных откликов на импульсное ударное возбуждение и начата разработка неразрушающих методов контроля композиционных диэлектрических материалов.
Данная работа является продолжением исследований в этом актуальном направлении и посвящена проблеме повышения точности и
расширения функциональных возможностей разрабатываемых электромагнитных методов контроля композиционных строительных материалов.
Целью работы является установление закономерностей механоэлектрических преобразований при упругом ударном механическом возбуждении композиционных строительных материалов и разработка на этой основе методик неразрушающего электромагнитного контроля их структурных и механических характеристик.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать основные факторы, влияющие на параметры
механоэлектрических преобразований при ударном возбуждении
диэлектрических материалов.
2. Изучить источники генерирования переменных электромагнитных
полей в условиях импульсного механического возбуждения
композиционных строительных материалов.
3. Исследовать закономерности взаимосвязи параметров
механоэлектрических преобразований со структурными характеристиками
композиционных материалов.
4. Изучить взаимосвязь параметров электромагнитного отклика из
композиционных материалов с изменением качества адгезионного
контакта на границах раздела разнородных материалов в условиях
напряженно-деформированного состояния.
5. Разработать критерии неразрушающих механоэлектрических
методов определения прочности, структурных характеристик, изменения
напряженно-деформированного состояния и качества адгезионного
контакта компонентов в строительных материалах.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Основными источниками генерирования переменных электрических полей в композиционных строительных материалах при их упругом ударном возбуждении являются заряженные поры, двойные
электрические слои на границах адгезионного контакта компонентов и пьезоэлементы, входящие в состав многих горных пород и песка, используемых в качестве заполнителей в строительных композитах.
2. Параметры электромагнитного отклика на ударное возбуждение
диэлектрических материалов зависят от упругих и электрических
характеристик материалов, характеристик удара, температуры и влажности
окружающей среды.
3. Амплитуда электромагнитного отклика на упругое ударное
возбуждение случайно-неоднородной композиционной системы (А),
состоящей из матрицы и включений, зависит от концентрации включений
и описывается уравнением:
-пк— А = А -п-е А, 5 где Ао - амплитуда основной гармоники спектра электромагнитного
отклика из образца с единичным включением; п - концентрация
включений; г -размер включений, X - длина акустической волны, к -
коэффициент, определяющий затухание прямой акустической волны.
4. Установлено, что характеристики механоэлектрических
преобразований в процессе изменения качества адгезионного контакта на
границе металл-диэлектрик связаны с изменением характеристик
акустических волн, формирующихся в материале при его ударном
возбуждении и состояния адгезионного контакта, а динамика этих
изменений определяется соотношением коэффициентов линейного
температурного расширения компонентов.
5. Предложены электромагнитные неразрушающие методики
контроля прочности, структурных характеристик, динамики изменения
качества адгезионного контакта компонентов в композиционных
материалах при температурном возбуждении и изменения напряженно-
деформированного состояния, а также степени структурных фазовых
изменений в кристаллогидратах в условиях температурного отжига.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Характеристики электромагнитного отклика при
механоэлектрических преобразованиях в композиционных строительных
материалах определяются размером и концентрацией заряженных
неоднородностей, наличием пьезосодержащих включений и процессами
рассеяния акустических волн.
2. Амплитудно-частотные характеристики электромагнитного
отклика на упругое ударное возбуждение отражают динамику изменения
качества адгезионного контакта под действием температурных полей в
системе металл-диэлектрик.
3. Разработаны основы неразрушающих электромагнитных методов
контроля прочности, пористости и изменения напряженно-
деформированного состояния в композиционных строительных
материалах, по данным амплитудно-частотного и корреляционного
анализа электромагнитного отклика.
Достоверность научных результатов подтверждается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, достаточным объемом экспериментальных данных, комплексным характером подхода к решению поставленных задач, не противоречат современным представлениям о рассматриваемых явлениях, теоретическим и экспериментальным данным других авторов и получены с использованием современного измерительного оборудования.
Научно-практическая значимость работ. Разработанные в результате проведенных исследований методики для контроля качества композиционных диэлектрических материалов могут быть использованы для определения структурных, прочностных характеристик композиционных строительных материалов, изменения напряженно-деформированного состояния, для отслеживания динамики изменения состояния адгезионного контакта в армированных композитах в процессе их эксплуатации. Получен патент на способ контроля прочности изделий
из твердых материалов, основанный на использовании явления механоэлектрических преобразований. Результаты работы апробированы в условиях производства и внедрены в учебный процесс.
Личный вклад автора. Автор лично определил задачи исследований, усовершенствовал методику измерения параметров механоэлектрических преобразований для проведения исследований в условиях температурного возбуждения, проводил эксперименты, анализировал результаты и делал выводы.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург 2003 г.); Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2003, 2004 г.); Всероссийской школе-семинаре «Новые материалы. Создание, структура, свойства» (Томск, 2004 г.); Десятой Юбилейной Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных: (Томск, 2004 г.); научно-практическом семинаре в период научной стажировки в Ульсанском университете, г. Ульсан, Южная Корея, 2005 г. Международной конференции «Современные техника и технологии СТТ'2005» (Томск, 2005 г.); 8-м Российско-Китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Китай, Гуан-Чжоу, 2005г.).
Публикации: Основные результаты исследований опубликованы в 21 научной работе, из которых И в центральных журналах, и получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы и Приложения. Работа содержит 167 страниц машинописного текста, включая 75 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 113 источников. Приложения - 3 страницы.
Автор выражает благодарность научному руководителю профессору Суржикову А.П., научному консультанту, д.т.н Фурса Т.В. и коллективу научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников за помощь и ценные замечания.
Закономерности и механизмы механоэлектрических преобразований в композиционных диэлектрических материалах при импульсном механическом возбуждении в области упругой деформации
В лаборатории Томского Политехнического Университета группой ученых на протяжении ряда лет проводятся исследования источников и механизмов механоэлектрических преобразований в сложных многокомпонентных системах, к которым относится большинство строительных материалов, при квазистатическом [47-49] и ударном [50, 51, 52, 53] возбуждении.
Как известно, проблема определения механической прочности бетонов и степени дефектности строительных конструкций имеет очень важное практическое значение. Проведенными исследованиями [54,55] показано, что изучаемое явление механоэлектрических преобразований может быть весьма эффективно использовано для неразрушающего контроля прочности бетонов. Установлено, что электромагнитный отклик, возникающий при ударном возбуждении образцов бетона является суперпозицией сигналов, обусловленных механоэлектрическими характеристиками нескольких источников: зерна заполнителя [56], контакта заполнителя с цементной основой [52], самой цементной основы, поверхности образца и геометрией расположения этих источников по отношению к приемнику. В результате экспериментов, представленных в [52] получено, что в композиционных материалах, состоящих из цементного вяжущего и заполнителя, электромагнитный отклик определяется изменением дипольного момента двойных электрических слоев на границе компонентов, составляющих композиционную систему при акустическом возбуждении . Исследования, проведенные в работе [57] показывают, что определяющую роль в генерировании электромагнитной эмиссии бетонов при ударном возбуждении играют внутренние источники. Также, по времени прихода электромагнитных импульсов относительно момента возбуждения возможно определять глубину залегания внутреннего источника (дефекта).
В [58] обнаружено, что процесс механоэлектрических преобразований при ударном возбуждении диэлектрических композиционных материалов является суперпозицией нескольких составляющих, одна из которых - электризация материала в точке удара, а другая - механоэлектрические преобразования на границе раздела матрицы и заполнителя. Кроме того, в работе [59] установлено, что при ударном возбуждении некоторых материалов в электромагнитном отклике наблюдается наличие медленно изменяющегося переднего фронта, что, по мнению авторов, может быть связано с изменением дипольного момента при приближении ударного элемента к поверхности образца, имеющего случайный поверхностный заряд.
В работе [60] авторами были проведены исследования механоэлектрических преобразований в бетонах с использованием методов физического моделирования. Показано определяющее влияние размера заполнителя на эффективность механоэлектрических преобразований в бетонах и установлена зависимость амплитуды электромагнитного отклика на ударное возбуждение от площади поверхности включения, что свидетельствует в пользу механизма генерирования электромагнитного отклика двойным электрическим слоем на границе цементной матрицы и заполнителя. Авторами предложены электромагнитные критерии и способы контроля механической прочности строительных материалов [54, 55, 61, 62], их дефектоскопии [63], оценки напряженно-деформированного состояния [64], диагностики их качества и работоспособности. Результаты исследований, проведенных в нашей лаборатории, указывают на то, что явление механоэлектрических преобразований обладает уникальными возможностями для решения проблем контроля качества многокомпонентных гетерогенных материалов.
В результате проведенных исследований получены эмпирические зависимости характеристик электромагнитного отклика с механической и эксплуатационной прочностью строительных материалов, их напряженно-деформированным состоянием, динамикой развития опасных дефектов структуры, наличием трещин.
Следует отметить, что зарубежными авторами была сделана попытка провести аналогичные исследования. Однако, авторы статьи [65] в ходе своих экспериментов не смогли получить зависимости связи параметров электромагнитного отклика на ударное возбуждение с физико-механическими характеристиками исследуемых материалов - бетонов, и на основании своих данных высказывают предположение о неприменимости указанного подхода к определению структуры материала. Дело в том, что методика проведения экспериментов немецких ученых не позволяет выявить полезную составляющую электромагнитного отклика на ударное возбуждение. Основной причиной этого является неприемлемое для таких исследований ударное возбуждение - стальной шарик диаметром 2.5-5 см, который катится по наклонной поверхности, и ударяет по образцу. При такой схеме удара его длительность настолько велика, что спектр ударного возбуждения лежит полностью в области низких частот (до 10 кГц), что в принципе не позволяет возбуждать в материале высокочастотных колебаний, которые являются гораздо более информативными для определения структурных и физико-механических характеристик материала. Более подробно об применяемом в наших исследованиях ударном возбуждении рассказывается в методической главе настоящей работы.
Таким образом, исследования, проведенные авторами по данной тематике указывают на существование характерных зависимостей и связей различных структурных и прочностных характеристик композиционных строительных материалов, их напряженно-деформированного состояния, наличия дефектов и инородных включений с параметрами механоэлектрических преобразований, происходящих в материалах при их импульсном ударном возбуждении.
Полученные данные, несомненно, открывают широкие перспективы для проведения исследований, направленных на уточнение и поиск новых критериев для разработки современных неразрушающих способов, методов контроля качества и оперативного наблюдения за состоянием строительных конструкций. Представляемая работа, на наш взгляд, является логичным продолжение представленным в данном обзоре материалам, и направлена на решение широкого круга практических задач.
Методика регистрации акустических колебаний и измерения скорости распространения акустических волн через образец
Исследования, проводимые в данной работе, напрямую связаны с распространением акустических волн в материалах, которые оказывают влияние на параметры электромагнитного отклика при импульсном ударном возбуждении. Акустические колебания, возникающие в образцах при импульсном ударном возбуждении, вызывают колебание электрических зарядов, расположенных на структурных неоднородностях и дефектах внутри композиционных диэлектрических материалов, что приводит к появлению переменных электромагнитных полей, а, следовательно, и электромагнитного отклика. Поэтому для понимания физической сущности и основных закономерностей акустоэлектрических преобразований необходимо было наряду с электромагнитным откликом регистрировать акустический сигнал, дающий информацию о характеристиках акустических волн, формирующихся в исследуемых образцах при их импульсном механическом возбуждении.
Регистрация акустических колебаний производится следующим образом: На широкополосный пьезоэлектрический приемник с полосой пропускания 0-100 кГц через тонкий слой смазки Литол-24 для обеспечения хорошего акустического контакта устанавливается образец для исследования. Затем производится удар шариком по поверхности образца. Приемник регистрирует поверхностные акустические колебания, и преобразует их в электрический сигнал, который поступает на вход осциллографа. Затем производится запись оцифрованных с выбранной частотой сигналов в файл на компьютере для последующей обработки и анализа.
Для оценки частот собственных акустических колебаний в исследуемых образцах и определения модуля Юнга измерялась скорость продольных акустических колебаний. Для измерения скорости распространения звуковых колебаний в исследуемых материалах используется методика регистрации времени прохождения акустической волны через образец, которая заключается в следующем.
Генератор импульсов формирует электрический импульс, который возбуждает излучающий пьезопреобразователь, затем импульс преобразовывается в упругую волну и через акустический контакт распространяется по исследуемому образцу. С противоположной стороны образца через акустический контакт крепится пьзопреобразователь -приемник, и преобразовывает прошедшую через образец упругую волну в электрический сигнал. Весь процесс регистрации наблюдался на экране осциллографа, из осциллограммы определялось время прохождения акустической волны через образец, и затем по известной формуле рассчитывалась скорость.
Для того чтобы получить данные об изменениях зоны адгезионного контакта двухкомпонентной системы, происходящих в процессе ее нагрева и определения размера отпечатка в точке удара, была использована методика оптической регистрации с помощью усовершенствованного биологического исследовательского универсального микроскопа МБИ-15. МБИ-15 предназначается для визуального наблюдения и фотографирования объектов в проходящем и отраженном свете. Микроскоп оборудован цифровой фотокамерой, с помощью которой производится фотографирование и сохранения наблюдаемых изображений в виде графических файлов в компьютере.
При освещении объектов проходящим светом исследования на микроскопе могут проводиться в светлом и темном поле, методом фазового контраста, в поляризованном свете. При работе в падающем свете исследования могут проводиться в светлом и темном поле, при смешанном освещении объекта, а также в свете видимой люминесценции объектов, возбуждаемой сине-фиолетовым участком спектра в пределах длин волн от 400 до 440 нм и ультрафиолетовыми лучами длиной волны до 360 нм. Кроме того, при исследовании может быть применено освещение объекта сверху светом, возбуждающим люминесценцию, и одновременное освещение его снизу по методу темного поля или фазового контраста.
К микроскопу прилагается большой набор объективов, но в револьвер микроскопа рекомендуется устанавливать объективы нужного увеличения, выбранные из одной группы.
Специально для проведения исследований были изготовлены модельные образцы, у которых область адгезионного контакта была отшлифована и отполирована с помощью алмазного порошка частицами различного диаметра (до 5 мкм). Для того, чтобы в область работы микроскопа всегда попадала одна и та же зона адгезионного контакта, на поверхность образцов наносились нитевидные метки, относительно которых производилось размещение образцов под микроскопом. Затем образцы циклически нагревались в печи от комнатной температуры до температуры порядка 120-150 С с шагом в 20 С. На каждой ступени нагрева были получены снимки одной и той же зоны адгезионного контакта. Нагревание прекращалось, когда контакт разрушался. Полученные снимки заносились в базу данных и использовались для визуального отслеживания кинетики изменения качества адгезионного контакта при температурном возбуждении двухкомпонентных композитов, состоящих из материалов с различными коэффициентами линейного температурного расширения.
Зависимость параметров механоэлектрических преобразований от концентрации включений
Имеется целый ряд работ, в которых исследуется распространение упругих продольных и поперечных волн в неоднородных средах. Специфика распространения упругих волн в неоднородных средах заключается в том, что изменение динамики волн связано не только и не столько с поглощением, а с процессами рассеяния волн неоднородностями. При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии остается звуковой, но уходит из направленно распространяющейся волны в результате отражений от неоднородностей среды.
Характер этих процессов зависит от соотношения размеров неоднородностей и длины акустической волны. Из теории следует, что доля рассеиваемой энергии тем больше, чем больше размер включения по сравнению с длиной волны; таким образом, затухание прямой волны тем больше, чем больше количество включений и их размеры.
В работе [67] экспериментально показано, что максимальные значения в амплитудных спектрах продольных (Ар) и поперечных (As) акустических волн убывают с увеличением числа включений (N) по закону, близкому к линейному, в координатах InN. Причем, зависимость A(N) тем сильнее, чем больше диаметр включений.
С другой стороны установлено, что в композиционных материалах, состоящих из цементного вяжущего и заполнителя, электромагнитный отклик определяется смещением зарядов двойных электрических слоев на границе компонентов, составляющих композиционную систему при акустическом возбуждении [91,58]. При увеличении концентрации включений будет возрастать эффективная площадь двойных электрических слоев синхронно возбуждаемых акустическими волнами, формирующимися внутри плоскопараллельного образца. То есть, при возбуждении акустической волной двойных электрических слоев на границе матрицы и включений должно происходить возрастание амплитуды электромагнитного отклика с ростом количества включений.
Следовательно, с увеличением количества включений должно происходить: с одной стороны затухание акустической волны в направлении возбуждения за счет ее рассеяния на включениях, а с другой стороны увеличение эффективности механоэлектрических преобразований благодаря увеличению суммарной площади двойных электрических слоев на границе матрицы и включений.
Для исследований были использованы композиционные керамические материалы, состоящие из глины и зольной фазы, представляющей собой стеклянные микросферы алюмосиликатного состава, размер которых составлял порядка 3-5 мм. Образцы представляли собой параллелепипеды размером (117x57x12мм). Были исследованы керамические образцы с различным процентным содержанием зольной фазы. Были определены электрические характеристики - диэлектрическая проницаемость и удельное электрическое сопротивление, и показано, что максимальное изменение этих параметров составляет порядка 20 %. В то время как максимальное изменение величины электромагнитного отклика происходит в 40 раз. Поэтому влияние электрических характеристик на параметры электромагнитного отклика при изменении концентрации зольной фазы в рамках данных исследований не учитывалось.
Эксперимент проводился в соответствии со стандартной методикой, описанной в главе 2. Предварительно был экспериментально осуществлен выбор размера шарика и высоты его падения таким образом, чтобы при возбуждении образцов, состоящих на 100% из глины без включений, уровень электромагнитного отклика практически не превосходил уровень собственных шумов регистрирующей аппаратуры, а при возбуждении системы, состоящей из глинистой матрицы и стеклянных включений электромагнитный отклик регистрировался бы достаточно надежно.
То есть, акустическое возбуждение должно быть таковым, чтобы ток смещения, возникающий при смещении зарядов двойных электрических слоев, находящихся на границе пор и других более мелких неоднородностей, составляющих глинистую основу, был на уровне собственных шумов регистрирующей аппаратуры.
Такая достаточно простая картина спектра наблюдается в образцах, имеющих форму пластины, как это имеет место в нашем случае. В таком случае волна создает, в основном, смещение частиц среды, параллельное волновому фронту [92].
С другой стороны, наряду с процессом затухания акустической волны с увеличением концентрации включений должен протекать другой процесс - возрастание амплитуды электромагнитного отклика за счет увеличения площади двойных электрических слоев в соответствии с увеличением количества включений.
В данной формуле пока не учитывается изменение упругих и электрических характеристик материалов с изменением концентрации неоднородностей, хотя в дальнейшем эти факторы следует учесть для повышения точности контроля структурных характеристик. Следует заметить, что максимальное изменение модуля Юнга для исследованных образцов составляет порядка 14%, а диэлектрической проницаемости около 10%, в то время как максимальные изменения величины электромагнитного отклика происходят почти на порядок.
Исследование изменения состояния адгезионного контакта при нагревании композитов оптическим методом
Для того чтобы получить возможность наблюдать за состоянием адгезионного контакта в композитах мы воспользовались методикой оптической регистрации, с помощью которой визуально отслеживали весь процесс разрушения этого контакта с помощью стандартного биологического исследовательского универсального микроскопа МБИ-15. Методика проведения оптической регистрации приведена в главе 2.
Для проведения исследований были изготовлены модели двухкомпонентных композиционных материалов, компоненты в которых связаны силами адгезионного взаимодействия. Для изготовления моделей были использованы: строительный гипс марки Т-2А и металлы - сталь, латунь, чугун, свинец, алюминий.
Физические модели композитов изготавливались путем помещения в форму металла или другого твердого диэлектрического компонента и заливки его раствором вяжущего на основе строительного гипса. В процессе естественного твердения гипса и формировался двухкомпонентныи композит с достаточно надежным адгезионным контактом компонентов. После окончания процесса твердения вяжущего образцы вынимались из формы, выдерживались в течение месяца и использовались в качестве моделей двухкомпонентных композитов.
При температурном разогреве адгезионного контакта в композитах, состоящих из разных материалов, происходит его постепенное разрушение под действием напряжений, возникающих на границе материалов с различными коэффициентами линейного температурного расширения (КЛТР). И чем больше разнятся КЛТР материалов, находящихся в адгезионном контакте, тем при меньших температурах должен разрушаться контакт при одинаковой адгезионной прочности этих композитов.
Для материалов, использующихся в наших экспериментах -строительного гипса, и различных металлов, КЛТР различается достаточно сильно, поэтому разрушение наступало при не очень больших температурах.
Образцы для наблюдения под микроскопом тщательным образом отбирались и проходили специальную подготовку. Область адгезионного контакта, выбранная для исследования должна быть чистой, без крупных царапин, которые могут помешать получению микрофотографий. Также проводилась шлифовка и полировка поверхности абразивными порошками, начиная с крупных (размер частиц 50 микрон) до самых мелких (5 микрон).
На рисунке 4.1. приведены типичные микрофотографии кинетики изменения состояния адгезионного контакта при нагревании двухкомпонентных композитов. По результатам оптической регистрации следует отметить, что при нагревании композита гипс-латунь от комнатной температуры до температуры порядка 80 С не наблюдалось изменений в оптической картине адгезионного контакта. При дальнейшем нагреве до температуры порядка 100 С оптическая картина претерпевает существенные изменения. Наблюдается смещение границ адгезионного контакта за счет различия в коэффициентах температурного расширения материалов, находящихся в контакте. На микрофотографии это проявляется в изменении соотношения контрастности в изображении компонентов. Дальнейшее нагревание приводит к тому, что на микрофотографии наблюдается изменение ширины границы адгезионного контакта .
Полученные результаты по визуальному наблюдению изменений качества адгезионного контакта при температурном возбуждении композитов дают возможность приступить к исследованию электромагнитного отклика из таких же композитов, с целью установления взаимосвязи характеристик адгезионного контакта с параметрами электромагнитного отклика.
Исследования проводились на физических моделях двухкомпонентных композиционных систем металл-диэлектрик и диэлектрик-диэлектрик. Образцы представляли собой параллелепипеды размером 5x5x10 см, компоненты в которых располагались перпендикулярно большой плоскости образца.
Импульсное механическое возбуждение образцов в этой серии экспериментов производили стальным шариком массой 7 г. Такое механическое воздействие позволяло создавать импульс возбуждения с энергией порядка 1,2-10"2 Дж и скоростью ударяющего тела - шарика порядка 2,2 м/с. В процессе проведения экспериментов приемник сигналов и точка удара располагались относительно образца всегда одинаковым образом.
Чтобы выявить взаимосвязь параметров электромагнитного отклика с качеством адгезионного контакта на первом этапе исследований были рассмотрены основные закономерности трансформации временных и амплитудно-частотных характеристик электромагнитного отклика на ударное возбуждение в процессе нагревания композита.
