Метод контроля целостности структуры поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта

Актуальность темы исследования. Полимерные материалы нашли самое широкое практическое применение. Это обусловлено, с одной стороны, уникальными физико-техническими свойствами полимеров и возможностью изменения свойств в достаточно широком диапазоне, с другой стороны, высокими эксплуатационными показателями, удобством в обработке и формировании изделий из этих материалов [1, 2]. Поэтому в настоящее время пластиками все чаще заменяют другие материалы [3]. В качестве примера можно привести органические стекла на основе поликарбоната и полиметилметакрилата, которые широко применяются для остекления транспортных средств, зданий и сооружений. Так, применение поликарбоната в остеклении кабин летательных аппаратов позволило значительно снизить вес с сохранением механических характеристик [4].
Следует отметить, что в процессе эксплуатации органических стекол требуется контролировать целостность их структуры. Это обусловлено тем, что нарушение целостности структуры органических стекол приводит к снижению их механических характеристик, в первую очередь предела прочности. Нарушение целостности структуры обычно связано с действием различных внешних факторов, основными из которых являются ультрафиолетовое (УФ) излучение, циклическая изгибная деформация, градиент температуры, изменение влажности. Например, воздействие на органическое стекло УФ излучения приводит к разрывам связей в полимерных молекулах, а также к инициированию окислительных процессов, и, как следствие, изменению целостности структуры [5]. Поэтому расширение областей применения органических стекол требует прогнозирования изменения целостности их структуры за счет разработки и создания эффективного метода неразрушающего контроля.
Следует отметить большое разнообразие существующих методов контроля целостности структуры пластиков, в том числе, и прогнозирования изменений в структуре органических стекол. Широко известны и используются такие методы, как метод оптической интерферометрии [9], поляризационно-оптический метод [10], теневой метод [11], дифракционный метод [12], метод тензометрии [13]. Эти и подобные методы контроля целостности структуры полимерных материалов рассмотрены в работах как российских авторов, например, Дебердеева Р.Я. [14], Каблова Е.Н. [15], Мекалиной И.В. [16;17], Тригуба Т.С. [18], Бурдина А.В. [19, 20, 21], Семашко В.В. [22], Садыкова М.Ф. [23, 24, 25], Зуева Б.М. [26, 27], Морозова О.Г. [28], так и зарубежных, например I. Gunes [29], K.M. Ajay [30], H.E.H. Meijer [31], G. M. Swallowe [32]. Общим недостатком этих методов контроля целостности структуры пластиков является возможность только косвенно контролировать изменения в структуре полимерного материала. Так, разработанный еще в 60-ые года прошлого века дифракционный метод контроля внутренних напряжений в органических стеклах, возникающих в результате внешнего воздействия на них [26, 27], позволяет только косвенно судить об изменениях в структуре сетчатого полимера по эмпирически полученной зависимости значения показателя преломления от плотности упаковки полимерных молекул. Другой, широко используемый метод тензометрии [13] для контроля целостности структуры пластиков в процессе их эксплуатации, позволяет определять только величину деформации и по ее значению контролировать приближение разрушения. Определять изменения в структуре полимерного материала метод тензометрии [13] не позволяет, а, значит, и не позволяет прогнозировать изменения предела прочности пластика в процессе его эксплуатации, вызванного изменениями в его структуре. Одним из перспективных методов контроля целостности структуры органических стекол является, на наш взгляд, метод на основе пьезоэлектрического эффекта в полимерных материалах.
Механизм пьезоэлектрического эффекта в полимерных стеклах связан с поляризацией полярных макромолекул полимера, возникающей при изменении их взаимного расположения под действием внешней деформации [33]. В результате чего на противоположных гранях образца полимерного материала возникает наведенная разность потенциалов. Причем, изменение величины этой наведенной разности потенциалов при неизменном значении деформации оказывается связанной с изменениями в структуре полимерного материала [34], например, с появлением микротрещин, еще не видимых невооруженным глазом, или разрывами полимерных молекул, инициированных УФ излучением [35, 36]. Поскольку механические свойства полимеров определяются их структурой, то установление закономерности в изменении наведенной разности потенциалов (далее пьезонапряжение) от величины нагрузки может позволить контролировать целостность структуры полимерных материалов, обладающих соответствующим эффектом. Однако несмотря на то, что пьезоэлектрический эффект в полимерах достаточно хорошо изучен, что отражено в работах Лущейкина Г.А, Магеррамова А.М., Харрисона Дж.С., Сина Лу и других [37-44], в литературе отсутствуют обоснованные данные о взаимосвязи механических характеристик, изменений в структуре органического стекла (трещинообразование, изменение степени кристалличности) при внешних воздействиях (УФ-излучение, циклическая нагрузка, механическая деформация) с пьезоэлектрическим откликом для поликарбоната. Таким образом, актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью разработки неразрушающего метода контроля целостности структуры органического стекла (на примере поликарбоната), основанного на пьезоэлектрическом эффекте в полимерных материалах.
Объект исследования – метод контроля целостности структуры поликарбоната.
Предмет исследования – пьезоэлектрический эффект в полимерах для разработки метода контроля целостности структуры поликарбоната.
Цель исследования – разработка метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах для прогнозирования изменений предела его прочности.
Научная задача исследования – научное обоснование применения пьезоэлектрического эффекта для контроля целостности структуры монолитного поликарбоната для прогнозирования изменений его предела прочности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Обоснование наиболее целесообразного подхода к контролю целостности структуры монолитного поликарбоната на основе сопоставительного анализа существующих подходов и методов контроля изменений в структуре полимерных материалов, и соответствующих им изменений их механических свойств в результате внешних воздействий.
2. Разработка метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах. Установление связи между механическими характеристиками и пьезоэлектрическим напряжением, возникающим в монолитном поликарбонате при деформациях. Определение ограничений применимости метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах.
3. Разработка устройства для контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах.
4. Экспериментальные исследования метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах при старении материала и циклических нагрузках. Определение погрешности измерения пьезонапряжения. Формализация рекомендаций по практической реализации устройства для контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах.
Научная новизна исследований:
1. Предложен метод контроля целостности структуры монолитного поликарбоната, отличающийся тем, что в основе метода использован пьезоэлектрический эффект. Это позволяет контролировать изменения в структуре поликарбоната, возникающие под действием внешних воздействий, и прогнозировать снижение механических характеристик такого органического стекла.
2. Обоснованы ограничения применимости метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната, основанного на пьезоэлектрическом
эффекте. Показано, что предложенный метод может быть применен при скоростях внешнего воздействия (0÷4 мм/мин) на полимерный материал, соответствующих типовым значениям ветровой нагрузки 0÷15,5 м/с.
3. Сформулированы рекомендации к практической реализации метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната, отличающиеся тем, что предложенный автогенераторный метод измерения пьезонапряжения основан на формировании сигнала биений выходных колебаний опорного и измерительного автогенератора. Причем частота биений прямо пропорциональна напряжению пьезоэлектрического эффекта, возникающего в монолитном поликарбонате под действием деформации.
Практическая ценность работы заключается в разработанном методе контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах; формализованных рекомендациях к практической реализации этого метода, включая структурную и функциональную схемы устройства для контроля целостности структуры монолитного поликарбоната. Отличительной особенностью предложенного метода является возможность учета изменений в структуре монолитного поликарбоната, которые определяют его механические характеристики. Это позволяет предупреждать разрушение изделий из монолитного поликарбоната, применяемых для остекления зданий и сооружений, транспортных средств, и обосновывать рекомендации по замене элементов остекления.
Реализация и внедрение результатов работы представлены в рамках выполнения: гранта РФФИ No 19-38-90019 «Неразрушающий метод диагностики прочности прозрачного монолитного поликарбоната на основе пьезоэлектрического эффекта» (2019-2022гг); Государственного задания Минобрнауки России по Соглашению No 075-03-2020-051/3 от 09.06.2020 (номер темы fzsu-2020-0021).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новые технологии, материалы и
оборудование российской авиакосмической отрасли» (г. Казань, 2018г.), Международной научной конференции «Нигматуллинские чтения-2018» (г. Казань, 2018г.), Международной молодежной научной конференции «XXIV Туполевские чтения (школа молодых ученых)» (г. Казань, 2019г.), международной конференции «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы-2019 (ПРЭФЖС-2019)» (г. Казань, 2019г.), I Международной конференции ICMSIT-I 2020: Метрологическое обеспечение инновационных технологий (г. Санкт-Петербург, 2020г.), Международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (г. Могилев, 2020г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в Перечень ВАК по специальности 2.2.8, 2 статьи в журналах, включенных в базы данных Scopus, 1 Патент на изобретение, 5 работ в материалах докладов международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста без учета Приложения, содержит 47 рисунков, 6 таблиц, 22 формулы и список использованной литературы из 148 источников отечественных и зарубежных авторов.
Диссертация соответствует паспорту специальности 2.2.8. «Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды» по следующим пунктам:
1. «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (предложен метод контроля целостности структуры поликарбоната, учитывающий изменения в структуре материала, с возможностью проведения неразрушающего контроля).
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Метод контроля целостности структуры монолитного поликарбоната, с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах, отличающийся тем, что позволяет прогнозировать изменения в структуре полимерного материала.
2. Ограничения применимости метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната, подтвержденные результатами экспериментальных исследований взаимосвязи изменений в структуре полимерного материала и пьезоэлектрического отклика при деформациях.
3. Устройство для неразрушающего контроля целостности структуры монолитного поликарбоната, основанное на автогенераторном методе измерения пьезонапряжения.
4. Рекомендации к практической реализации устройства для контроля целостности структуры монолитного поликарбоната для прогнозирования изменений его предела прочности, включающие в себя структурную и функциональную схемы, методику проведения контроля.
Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, обосновании целесообразности метода, основанного на пьезоэлектрическом эффекте в полимерах; проведении экспериментальных исследований и анализа их результатов; в оценке требуемой погрешности измерений пьезонапряжения; разработке метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната и определении ограничений применимости этого метода; разработке рекомендаций к практической реализации устройства контроля целостности структуры монолитного поликарбоната.
Основное содержание работы.
Во введении приведены актуальность и цель диссертации, поставлены задачи исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность исследований, показана реализация и внедрение результатов работы, приведены апробация и публикации, структура и объем диссертации, соответствие паспорту специальности, дано краткое содержание диссертации.
В первой главе проведен сопоставительный анализ методов контроля целостности структуры полимерных материалов в процессе их эксплуатации. По
результатам сопоставительного анализа определено, что в основе наиболее целесообразных методов контроля изменения предела прочности монолитного поликарбоната должна лежать взаимосвязь изменения механических характеристик с изменениями в структуре полимерного материала. Один из перспективных методов контроля целостности структуры монолитного поликарбоната основан на пьезоэлектрическом эффекте.
Критическое рассмотрение существующих методов контроля изменения предела прочности полимерных материалов, на основании сравнительного анализа, показало, что успешное решение задачи предупреждения разрушения полимерных материалов во многом осложняется отсутствием контроля изменений в структуре полимера. Это обусловлено тем, что изменения механических характеристик полимерных материалов в процессе эксплуатации вызвано в первую очередь изменениями в структуре полимерного материала, происходящими под действием внешних факторов (например, УФ излучения, градиента температур и пр.).
Изменение механических характеристик пластиков может быть вызвано, как макроскопическими, так и микроскопическими изменениями в структуре полимерного материала. Микроскопические изменения в структуре полимера характеризуются изменением в структуре молекул и плотности их упаковки. Макроскопические изменения в структуре могут характеризоваться, например, качеством межфазных (переходных) слоев, их размерами, протяженностью и глубиной, а также величиной связи между ними. Макроскопическими изменениями структуры, например, являются микротрещины, возникающие в полимерном материале вследствие различных воздействий на него. Причем на начальной стадии зарождения и развития изменений в структуре пластика визуально они могут не проявляться. Практический интерес представляет диагностика макроскопических изменений в структуре материала, которые оказывают основное влияние на изменение предела прочности полимерного материала. Наиболее часто используемые методы контроля целостности структуры полимерных материалов возможно разделить на две группы – резонансные и нерезонансные. Сравнительный анализ методов этих двух групп проводился по следующим основным критериям: погрешность измерений; возможность контроля изменений в структуре полимерных материалов; возможность проведения неразрушающего контроля; возможность контроля при загрязнении поверхности; возможность сохранения обзора при постоянном контроле изменений в структуре полимерного материала; устойчивость к внешним воздействиям.
По результатам анализа научно-технической литературы установлено, что за счет использования методов, позволяющих определять изменения в структуре полимерного материала, возможно контролировать и прогнозировать изменение (как правило, снижение) механических характеристик монолитного прозрачного поликарбоната. Показано, что метод, основанный на пьезоэлектрическом эффекте в полимерных материалах возможно использовать для контроля целостности и изменений структуры органических стекол. Это обусловлено тем, что механизм пьезоэлектрического эффекта в полимерах связан именно с изменениями в структуре полимерного материала, приводящими к поляризации полимерных молекул под действием деформации. На основе анализа результатов этих измерений возможно прогнозировать изменения предела прочности монолитного поликарбоната.
На основе исследований, проведенных в первой главе, были сформулированы объект и предмет исследований, цель, задачи, определены направления дальнейших изысканий для достижения поставленной цели.
Во второй главе рассмотрен метод контроля целостности структуры монолитного поликарбоната, основанного на пьезоэлектрическом эффекте. Приводится уточнение природы пьезоэлектрического эффекта и связь механических характеристик поликарбоната с напряжением пьезоэлектрического эффекта. В первом разделе второй главы рассмотрена природа пьезоэлектрического эффекта в поликарбонате. Показано, что основным механизмом пьезоэлектрического эффекта в поликарбонате является поляризация полимерных молекул, проявляющаяся при механической деформации образцов. Такой поляризации способствует наличие полярных групп, например полярных карбонильных групп С=О в макромолекуле поликарбоната. Приведена теоретическая оценка ожидаемой величины пьезонапряжения, порядок которой составил единицы вольт с учетом коэффициента деления, лежащего в диапазоне 10-6÷10-3, расчетные значения пьезонапряжения для области упругих деформаций составили 0,8± 0,04 В, для области неупругих деформаций 1,2± 0,06 В. Отмечено, что эти оценки получены для поликарбоната без учета его модификации различными присадками, например, присадками, повышающими стойкость поликарбоната к ультрафиолетовому облучению. Практическое использование предложенного метода требует проведения экспериментальных исследований, уточняющих величину пьезонапряжения и его связь с изменениями в структуре монолитного поликарбоната.
Во втором разделе второй главы приведены результаты экспериментальных исследований по установлению соответствия пьезонапряжения и силы отклика образца на приложенную деформацию. Показана возможность использования
параметра   U ‘  U t  tU(t) (где U’ – максимальное значение U’ tU’ max
max max
производной пьезонапряжения, соответствующее области упругих деформаций, U ‘ – скорость изменения текущего значения пьезонапряжения) для контроля целостности структуры и прогнозирования разрушения изделий из поликарбоната. Критерием критического состояния изделия является существенное снижение величины этого параметра, как минимум на порядок (γ≤0,1), критерием разрушения полимерного материала является становление γ отрицательным (γ<0). Допустимое снижение величины параметра γ определяется типом материала и характером внешних воздействий на него. В третьем разделе второй главы приведены результаты экспериментальных исследований по выявлению ограничений применимости метода контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах, такие как: исследование влияния величины деформации образцов поликарбоната на время задержки (τз) пьезонапряжения U относительно силы Р отклика образца на эту деформацию; исследование влияния скорости (Vнагр) нагружения образца на величину времени задержки τз; исследование влияния влажности на пьезонапряжение при механической деформации образца; исследование влияния изменения температуры на пьезонапряжение при механической деформации образца. Определены ограниченные диапазоны параметров внешних воздействий, в рамках которых возможно использовать пьезонапряжение поликарбоната для контроля изменений в его структуре. Диапазон скорости деформаций до 4 мм/мин и ограничение на величину деформации ε ≥ 0,05, в пределах которых возможно использовать рассматриваемый метод, соответствуют типовым значениям скоростей ветровых нагрузок деформации 0–15,5 м/с (0,6–120 Па), воздействующих на остекления зданий и сооружений. Изменение влажности в диапазоне времени выдержки образцов в воде 0÷15 мин и температуры в диапазоне 30÷80оС не оказывают влияния на величину, характер изменения пьезонапряжения и время его задержки. В третьей главе рассмотрено устройство контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах. В первом разделе главы предложено устройство контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах. Устройство реализует метод контроля, который заключается в одновременном измерении пьезоэлектрического отклика, отражающего изменения в структуре, и механической деформации, показывающей ее наличие или отсутствие. Это позволяет учесть изменения в структуре поликарбоната в процессе его эксплуатации. Предложена структурная схема устройства, рассмотрен принцип работы устройства с учетом алгоритма работы блока обработки информации. Во втором разделе третьей главы приведены результаты сопоставительного анализа существующих методов измерения пьезонапряжения. Показано, что для измерения разности потенциалов, возникающей на противоположных сторонах полимерного материала при механическом воздействии на него, возможно использовать автогенераторный метод измерений. Приведена структурная схема устройства контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах, реализующая автогенераторный метод. Схема предполагает измерение частоты биений колебаний двух автогенераторов: опорного и измерительного. В третьем разделе третьей главы приведены результаты моделирования автогенераторной части устройства контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с использованием пакета прикладных программ MicroCad. Полученная линейная измерительная характеристика показала возможность наилучшего определения величины пьезонапряжения по результатам измерения частоты биений. Показано, что частота биений колебаний измерительного и опорного автогенераторов лежит в диапазоне (0÷10 кГц) для образцов монолитного поликарбоната размерами 100х100х3мм и прямо пропорциональна пьезонапряжению, соответственно изменяющемуся в диапазоне 0÷3,5 В. В четвертой главе представлены рекомендации к практической реализации устройства контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах. В первом разделе четвертой главы приведено исследование изменения пьезонапряжения в зависимости от времени естественного старения поликарбоната. Показана возможность контроля целостности структуры поликарбоната в процессе эксплуатации по снижению уровня амплитуды пьезонапряжения в сравнении с его первоначальным значением. Приведено установление влияния параметров циклических деформаций (скорость, период, амплитуда) на пьезоэлектрический отклик и установлено ограничение применимости метода контроля целостности структуры поликарбоната при циклических нагрузках на него. Показано, что при большем числе циклов (>104) деформации, соответствующих области начала трещинообразования, в полимерном материале возникают и постепенно растут микротрещины, что приведет к снижению уровня амплитуды пьезонапряжения по сравнению с первоначальным. В областях, соответствующих упругим и неупругим деформациям изменения уровня пьезонапряжения не происходит. Таким образом, рассматриваемый метод позволяет отследить снижение амплитуды пьезонапряжения при многоцикловом нагружении, а, следовательно, контролировать изменения в структуре полимерного материала и соответствующее им снижение его предела прочности.
Во втором разделе четвертой главы приведены результаты оценки погрешности измерения пьезонапряжения. Показано, что для проведения экспериментальных исследований, осуществляемых в данной работе, результирующая погрешность измерения пьезонапряжения и погрешность измерения силы отклика образца на деформацию составляют ~5%.
В третьем разделе четвертой главы предложена методика контроля целостности структуры монолитного поликарбоната с применением пьезоэлектрического эффекта в полимерах. Показано, что критерием принятия решения о выведении объекта из эксплуатации является уменьшение параметра γ на порядок (γ≤0,1).