УДК 539.4:538.3
МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В КОМПОЗИЦИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ КОМПЛЕКСНОМ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОМ ВОЗБУЖДЕНИИ
Т.В. Фурса, К.Ю. Осипов
Показано, что с использованием явления механоэлектрических преобразований можно оценивать степень напряженно-деформированного состояния, создаваемого температурными полями. Установлено, что электромагнитный отклик на ударное возбуждение композиционных материалов является структурно-чувствительной характеристикой.
В настоящее время эксплуатация и применение композиционных материалов часто связаны с высокими механическими нагрузками и рабочими температурами, воздействие которых в конечном счете может негативно отразиться на их прочностных характеристиках. Поэтому существует необходимость оценки напряженно-деформированного состояния материалов. Для решения этой задачи может быть использовано явление механоэлектрических преобразований в диэлектрических конструкционных материалах, которое на протяжении ряда лет изучается в Томском политехническом университете.
Установлено, что при ударном возбуждении композиционных диэлектрических материалов происходит акустическое возбуждение двойных электрических слоев на границах внутренних неоднородностей [1]. Показано, что параметры электромагнитного отклика на ударное возбуждение твердых тел связаны с их механическими характеристиками и дефектностью [2]. В композиционных материалах самым слабым звеном являются зоны адгезионного контакта компонентов, составляющих данный композит, а параметры электромагнитного отклика наиболее надежно отражают характер изменения состояния этого контакта, и, следовательно, механических характеристик материала. Напряженно-деформированное состояние приводит к изменению состояния контакта компонентов в композиционных материалах, поэтому для определения напряжений, возникающих в материалах при их термическом возбуждении, также может использоваться явление механоэлектрических преобразований.
В данной работе сделана попытка оценить напряженно-деформированное состояние, возникающее в материалах при их нагревании, по параметрам электромагнитного отклика на ударное возбуждение. При нагревании образцов создавался градиент температур, необходимый для создания исследуемых внутренних напряжений. Такой подход позволил исследовать влияние изменяющихся во времени внутренних напряжений, обусловленных градиентом температур, на процесс механоэлектрических преобразований в композиционных материалах. Кроме того, использование температурного возбуждения создает более простой вид напряженно-деформированного состояния — в одном направлении, в то время как механическое нагружение, например на сжатие, имеет более сложную эпюру напряжений в образце.
Исследования влияния температуры проводились на строительных композиционных материалах, а именно: на цементно-песчаных образцах и строительном гипсе (алебастре). Выбор образцов был осуществлен по принципу различной термической стойкости материалов. Известно, что цементный камень при нагревании до температур порядка 200—250 °С практически не претерпевает структурных изменений, в то время как алебастр уже при температурах выше 180 °С существенно изменяет свою
3 Дефектоскопия, № 10, 2003
структуру. Образцы представляли собой параллелепипеды размером 6x2,5x2,5 см. Нагревание осуществлялось с одной стороны образца с помощью нагревательного элемента, площадь которого равнялась площади поперечного сечения образца. Контроль разности температур производился с помощью двух термопар, помещенных в горячей и холодной области образца.
Были проведены исследования влияния температуры на параметры электромагнитного отклика из композиционных диэлектрических материалов. Нагревание осуществлялось с одной стороны по всей малой поверхности образцов с постоянной скоростью 10 град/мин от комнатной температуры до температуры испытания. Ударное возбуждение осуществлялось с помощью стального шарика, который бросали с фиксированной высоты на срединную часть образца. Регистрация электрической составляющей электромагнитного отклика осуществлялась с помощью емкостного датчика, закрепленного на боковой поверхности образца. Высокочастотный электрический сигнал с емкостного датчика регистрировался с помощью осциллографа "PC-Scope PSC-500", совмещенного с ЭВМ.
Обнаружено, что в процессе нагревания образцов происходит изменение амплитудно-частотных характеристик электромагнитных откликов. Анализ основного максимума спектральной характеристики показал, что с ростом разности температур между горячим и холодным концами образца происходит увеличение его амплитуды и смещение частоты в низкочастотную область (рис. 1). При изменении напряженно-деформированного состояния изменяются как условия прохождения акустических волн через материал, так и состояние двойных электрических слоев на границах компонентов, составляющих композиционную систему. Эти изменения связаны, с одной стороны, с изменением упругих и механических характеристик материала, а с другой — с изменением ширины границы адгезионного контакта компонентов композиционной системы. Изменение упругих характеристик материала влияет на частоту собственных акустических колебаний, что должно изменять и спектральные характеристики электромагнитного отклика. Изменение ширины границы адгезионного контакта должно наиболее существенным об-
0 10 20 30 40 50
Частота, кГц
Рис. 1. Типичные амплитудно-частотные характеристики электромагнитных откликов из образцов цементного камня в процессе нагревания. Цифрами обозначены значения разности температур между горячим и холодным концами образца.
разом отразиться на амплитудах электромагнитного отклика, который, по нашим представлениям, является следствием изменения дипольного момента двойного электрического слоя под действием акустической волны. Наблюдаемое изменение амплитуды и смещение частоты основного максимума спектральной характеристики электромагнитного отклика свидетельствует в пользу высказанных выше предположений.
Время, мкс
Рис. 2. Типичные электромагнитные отклики, зарегистрированные при ударном возбуждении цементно-песча-ных образцов, при различном перепаде температур между горячим и холодным концами образца.
Таким образом, по характеру изменения амплитуды и частоты основных максимумов спектральной характеристики электромагнитного отклика на ударное возбуждение можно отслеживать изменение напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов.
Для оценки степени трансформации характеристик электромагнитного отклика при возникновении в образце термоупругих напряжений были проанализированы электромагнитные отклики, снятые на высокой частоте оцифровки (25 МГц). На рис. 2 представлены начальные участки электромагнитных откликов при изменении разности температур между горячим и холодным концами цементно-песчаных образца. Из рисунка видно, что при нагревании до температуры 50 °С (рис. 2а) различия в электромагнитном сигнале в зависимости от отклика, зарегистрированного при комнатной температуре, слабо выражены, а при нагревании до температуры 250 °С (рис. 26) наблюдается значительная трансформация электромагнитного отклика. Наблюдается изменение не только амплитуды, но и формы электромагнитного отклика — появление "искажений" на плавном ходе временной реализации, имеющей место при комнатной температуре. Кроме того, наблюдается смещение мак-
з*
симумов колебательного процесса и даже изменение фазы на некоторых участках временной реализации.
Для количественной оценки изменений характеристик электромагнитного отклика в процессе нагревания материалов был применен корреляционный анализ. С использованием функции взаимной корреляции были проанализированы электромагнитные отклики, зарегистрированные при различных разностях температур между горячим и холодным концами образца, то есть при изменении величины термоупругих напряжений.
Перепад температур, °С
Рис. 3. Изменение максимального коэффициента взаимной корреляции электромагнитного отклика при наличии перепада температур между горячим и холодным концами образца с электромагнитным откликом при комнатной температуре.
На рис. 3 приведен график зависимости максимального коэффициента функции взаимной корреляции от перепада температур между холодным и горячим концами, а следовательно, и от величины термоупругих напряжений, которая оценивается по формуле:
о = осЕ(Т] - Т2),
где а — коэффициент линейного температурного расширения; Е — модуль Юнга; Г, — температура горячего; Т2 — температура холодного конца образца.
Из рис. 3 видно, что с изменением величины термоупругих напряжений в процессе нагревания образцов происходит уменьшение коэффициента взаимной корреляции между электромагнитным откликом при определенном перепаде температур между горячим и холодным концами образца с электромагнитным откликом при комнатной температуре.
Данный подход может быть использован для определения напряженно-деформированного состояния, возникающего в композиционных диэлектрических материалах под действием термоупругих напряжений.
В отличие от термически более стойких цементно-песчаных образцов при нагревании алебастра при достижении температуры 200 °С и выше наблюдается значительное изменение спектральных характеристик электромагнитного отклика (рис. 4), что может быть связано с удалением структурной воды и перестройкой структуры материала. О наличии структурных изменений в алебастре при температурах 200 °С и вы-
ше свидетельствуют существенные изменения его физико-механических характеристик. Были проведены измерения скорости продольных ультразвуковых колебаний, плотности и механической прочности образцов алебастра при комнатной температуре и после нагревания их до 220 °С.
Частота, кГц
Рис. 4. Типичные амплитудно-частотные характеристики электромагнитных откликов из образцов строительного гипса в процессе нагревания.
Установлено, что при нагревании от комнатной температуры до температуры 220 °С скорость ультразвуковых колебаний уменьшается с 2,5-Ю3 м/с до 1,4103 м/с; плотность с 1730 кг/м3 до 1630 кг/м3 и механическая прочность с 9 МПа до 1,7 МПа. Следова
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.