Введение к работе
Актуальность темы
В современных условиях среди твердых диэлектриков многокомпонентные полимерные материалы хорошо зарекомендовали себя в качестве изоляции в высоковольтных электрофизических установках. Регулирование их характеристик в условиях ужесточения прикладываемых нагрузок достигается, в том числе за счёт применения наполнителей с различными свойствами, спектр которых постоянно расширяется. Наряду с традиционными наполнителями, при применении которых эффект обусловлен непосредственно их характеристиками, стали применяться наноразмерные наполнители, которые из-за своей повышенной активности существенно меняют весь комплекс свойств многокомпонентного полимерного материала (электрическую прочность, диэлектрическую проницаемость, температуру плавления и т.д.)
Создание электроизоляционных многокомпонентных
полимерных материалов с определённым набором характеристик требует исследования структуры и анализа ее взаимосвязи со свойствами. Это позволяет оценить работоспособность материала до экспериментальной проверки. Для изучения взаимосвязи «структура -свойства» применяются различные методы исследования структуры и обработки экспериментальных результатов, направленные на выявление новых закономерностей формирования свойств. Однако задача осложняется тем, что взаимосвязь «структура - свойства» в многокомпонентных материалах имеет нелинейный характер.
Повышению эффективности работ по созданию новых материалов препятствует недостаточно развитый инструментарий для изучения структуры, особенно допускающий ее количественную оценку. Среди широко апробированных экспериментальных методов особый интерес представляют микроскопические методы исследования в силу своей доступности и удобства работы с полученной информацией.
Однако на современном этапе методы измерения параметров структуры электроизоляционных многокомпонентных полимерных материалов и анализа их свойств на базе микроскопических методов исследования разработаны далеко не в полной мере. Практически отсутствуют методы изучения вклада наполнителя в формирование свойств, позволяющие оценить значимые для практического использования характеристики по микроскопическим снимкам структуры. Кроме того, изучение взаимосвязи «структура - свойства»
требует совершенствования методов обработки полученных экспериментальных данных. Поэтому разработка метода измерения параметров структуры и обработки полученных данных является актуальной задачей для получения электроизоляционных многокомпонентных композиционных материалов с заданными электрофизическими свойствами.
На основе предварительных исследований и литературных данных в качестве объекта исследования выбран полиэтилен в силу оптимального сочетания стоимостных и электрических свойств с суб-и наноразмерными наполнителями.
Цели и задачи работы
Основной целью работы является разработка метода
измерения параметров структуры электроизоляционных
многокомпонентных полимерных материалов при регулировании свойств за счет характеристик наполнителя на основе анализа микроскопических снимков.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
Разработать метод измерения параметров структуры, реагирующих на формирование свойств электроизоляционного многокомпонентного полимерного материала за счет регулирования характеристик наполнителя.
Разработать виртуальный прибор для измерения параметров структуры материалов и обработки полученных результатов.
Апробировать разработанный метод для изучения влияния наполнителя на свойства электроизоляционного многокомпонентного полимерного материала (на примере наполненного полиэтилена).
Предложить метод обработки данных, полученных по микроскопическим снимкам, позволяющий оценивать свойства по измеренным параметрам структуры на стадии разработки многокомпонентного полимерного материала.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Разработан метод измерения параметров структуры
электроизоляционных многокомпонентных полимерных материалов,
основанный на совместном использовании текстурного и спектрального анализа. На примере наполненного полиэтилена показано, что метод позволяет выделять на снимках макроструктуры элементы, которые сформированы под действием физико-химических процессов структурообразования.
На основе разработанного метода предложен количественный параметр, позволяющий оценить вклад наполнителей различной природы в формирование свойств электроизоляционного многокомпонентного полимерного материала.
Впервые обнаружена связь между характеристиками текстуры, выделенной на микроскопических снимках структуры полиэтилена с наноразмерными и субмикронными наполнителями, и его физическими свойствами.
Впервые для многокомпонентных полимерных материалов предложен метод автоматизированной обработки экспериментальных результатов на основе математического аппарата многомерного анализа данных и параметра структуры, определенного по микроскопическим снимкам. Метод позволяет оценивать характеристики новых материалов на стадии их разработки, изучать взаимосвязи между структурой и свойствами.
Практическая значимость диссертационной работы:
Разработанный метод и предложенный количественный параметр могут быть использованы для разработки многокомпонентных полимерных материалов с заданными свойствами. Метод может быть применен для измерения параметров структуры по микроскопическим снимкам, полученным при помощи оптического и электронного микроскопа.
Создан виртуальный прибор, позволяющий на основе предложенного метода автоматизировать процесс измерения параметров структуры и обработки полученных данных.
3. Предложенный метод обработки данных на основе
математического аппарата многомерного анализа способен
классифицировать материалы по свойствам, подобрать наполнитель
под область применения материала. Он может быть использован для
интерпретации зависимостей функциональных свойств
многокомпонентных полимерных материалов от структуры.
На зашиту выносятся:
1. Метод измерения параметров структуры
электроизоляционных многокомпонентных полимерных материалов.
Виртуальный прибор, позволяющий автоматически измерять параметры структуры по микроскопическим снимкам материалов.
Результаты применения разработанного метода к изучению влияния наполнителя на электрическую прочность полиэтилена.
Метод обработки данных, полученных по микроскопическим снимкам структуры, позволяющий на основе математического аппарата многомерного анализа и предложенного количественного параметра структуры оценивать свойства новых материалов на стадии их разработки.
Достоверность и обоснованность результатов измерений
Достоверность и обоснованность результатов исследования
достигается физической обоснованностью поставленных задач,
логической взаимосвязью полученных результатов, применением
апробированных статистических методов обработки
экспериментальных данных, корреляционной взаимосвязью между характеристиками, полученными независимыми методами, воспроизводимостью полученных результатов, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов
Личный вклад автора диссертационной работы
Диссертационная работа является полностью самостоятельной работой автора и написана по результатам исследований, выполненных лично автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы были представлены на 10 научных конференциях, в том числе 5 международных конференциях, а именно:
VI всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике», 2007, Оренбург;
VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», 2008, Томск;
XIY Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2008», 24 - 28 марта 2008, Томск;
V Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нанотехнологий, техники и медицины», 2008, Иваново;
XXXV научная конференция студентов, магистрантов и аспирантов, апрель, 2008, г. Барнаул;
VIII Всероссийской школе-семинаре (с международным участием) «Новые материалы. Создание, структура, свойства», 2008, г. Томск.
ХІ-й международной научной молодежной школе по
твердотельной электронике «Нанотехнологий, наноматериалы, нанодиагностика», 23 - 25 мая 2008г. Санкт-Петербург.
8. XV международной научно-практической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых. «Современные
техника и технологии СТТ 2009», 2009, г. Томск;
9. XXXVI научной конференции студентов, магистрантов и
аспирантов, апрель, 2009. г. Барнаул
10. Международной конференции «Идентификация, измерение
характеристик и имитация случайных сигналов (состояние,
перспективы развития)», 2009, г. Новосибирск.
Публикации
По результатам работы опубликовано 13 печатных работ, из них 3 в журналах по перечню ВАК.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемой литературы включающего 108 наименований. Работа изложена на 134 страницах, включая 68 рисунков, 11 таблиц.
